C++ 智能指针类
这篇文章主要来源于：codeguru网站的一篇文章：A TR1 tutorial：smart pointer （详细介绍了C++的智能指针，尤其是shared_ptr）。
众所周知，在 TR1 之前，C++标准库中的智能指针只有auto_ptr，但由于它的【排他所有权模式】（exclusive ownership model）导致了许多问题，为解决，C++TR1中引入了 boost 开源库中的智能指针：shared_ptr 和 weak_ptr 并使之成为了标准库的一部分（C++11标准）。
注1：C++ TR1 即 C++ Technical Report 1 是 ISO/IEC TR 19768, C++ Library Extensions（函数库扩充）的一般名称，它是针对 C++ 标准库的第一次扩展。
注2：C++最新标准：C++11已将智能指针：shared_ptr、weak_ptr收录为标准库中，即对应为：std::shared_ptr, std::weak_ptr，相应的头文件：<memory>（相比TR1：头文件：<tr1/memory>）.
注3：若读者编译器不支持C++11标准，则编译时：1.将头文件由<memory> 改为 <tr1/memory>; 2.将namespace由 std:: 改为 std::tr1 .
一、智能指针类：std::auto_ptr
由于 auto_ptr 基于【排他所有权模式】，这意味着：两个指针（同类型）不能指向同一个资源，复制或赋值都会改变资源的所有权。
一个简单的例子1：
#include <iostream>
#include <memory>
class A
{
public:
void print(){std::cout<<"A::print"<<std::endl;}
};
int main()
{
std::auto_ptr<A>pa1(new A);
pa1->print();
std::cout<<"pa1 pointer:"<<pa1.get()<<std::endl;
std::auto_ptr<A>pa2(pa1); //copy constructor
pa2->print();
std::cout<<"pa1 pointer:"<<pa1.get()<<std::endl;
std::cout<<"pa2 pointer:"<<pa2.get()<<std::endl;
return 0;
}
输出：
即即经过复制构造之后，pa1所指向资源的所有权转向了pa2，而pa1变成空，二者不能同时共享该资源。
auto_ptr 主要有两大问题：
- 复制和赋值会改变资源的所有权，不符合人的直觉。
- 在 STL 容器中无法使用auto_ptr ，因为容器内的元素必需支持可复制（copy constructable）和可赋值（assignable）。
二、C++11中新增的智能指针
新加入标准模板库（STL）的智能指针有两个：
shared_ptr：基于引用计数模型。每次有 shared_ptr 对象指向资源，引用计数器就加1；当有 shared_ptr 对象析构时，计数器减1；当计数器值为0时，被指向的资源将会被释放掉。且该类型的指针可复制和可赋值，即其可用于STL容器中。此外，shared_ptr 指针可与多态类型和不完全类型一起使用。主要缺点：无法检测出循环引用（后面会细说），如一颗树，其中既有指向孩子结点的指针又有指向父亲结点的指针，即孩子父亲相互引用。这会造成资源无法释放，从而导致内存泄露。为了 fix 这个问题，引入了另一个智能指针：weak_ptr.
weak_ptr：指向有shared_ptr 指向的资源（即其需要shared_ptr的参与，其辅助 shared_ptr 之用），但是不会导致计数。一旦计数器为0，不管此时指向资源的 weak_ptr 指针有多少，资源都会被释放，而所有的这些 weak_ptr 指针会被标记为无效状态（即 weak_ptr作为观察shared_ptr 的角色存在着，shared_ptr 不会感受到 weak_ptr 的存在）。
上一例子的shared_ptr 实现-例子2：
#include <iostream>
#include <memory>
class A
{
public:
void print(){std::cout<<"A::print"<<std::endl;}
};
int main()
{
std::shared_ptr<A>sp1(new A); //namespace: std::
sp1->print();
std::cout<<"sp1 pointer:"<<sp1.get()<<std::endl;
std::shared_ptr<A>sp2(sp1); //copy constructor
sp2->print();
std::cout<<"sp1 pointer:"<<sp1.get()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 pointer:"<<sp2.get()<<std::endl;
std::cout<<"count sp1:"<<sp1.use_count()<<std::endl; //get reference count
std::cout<<"count sp2:"<<sp2.use_count()<<std::endl;
return 0;
}
输出：
可知：sp2创建后，sp1对资源的所有权并没有被剥夺，而是sp1 和 sp2 均指向了资源，且此时资源的引用计数为2。当两个shard_ptr 指针sp1、sp2 超过其作用域时，最后一个析构的指针将会致使资源的释放（因为引用计数为0了）。
三、智能指针类：std::tr1::shared_ptr
3.1 概念
std::shared_ptr 智能指针共享所指向的资源（所有权），即几个 shared_ptr 可同时拥有一个对象，且共享一个控制块（constrol block），包含指向资源的 shared_ptr对象个数、指向资源的 weak_ptr 对象个数以及删除器（deleter：用户自定义的用于释放资源的函数，可以默认没有）。
一个空的 shared_ptr 对象不拥有任何资源和控制块。另一方面，一个 shared_ptr 初始化为一个NULL 指针和一个控制块，这有别有空的 shared_ptr。当共享的引用计数器为0时，资源释放（delete 操作符释放，或由用户提供的 删除器 释放它）。
3.2 使用
（1）创建一个 shared_ptr 对象
常见，一个 shared_ptr 对象可由以下四种对象来构造：
- 指向任何类型 T 的指针（包括 const T），也可为指向的资源指定删除器释放它；
- 另一个 shared_ptr 对象；
- 一个 weak_ptr 对象；
- 一个 auto_ptr 对象。
它们对应的构造函数如下：
//1 template<class T> explicit shared_ptr(T*); template<class T, class D> shared_ptr(T*, D); //2 template<class T> shared_ptr(const shared_ptr<T>&); //3 template<class T> shared_ptr(const weak_ptr<T>&); //4 shared_ptr(const auto_ptr&);
（2）删除器（deleter）与 get_deleter函数：
get_deleter函数返回一个指针，指向shared_ptr 的删除器，如果没有提供删除器则返回0。
例子3：
#include <iostream>
#include <memory>
class A
{
public:
static A* alloc()
{
A* pa = new A;
std::cout<<"a new object was created"<<std::endl;
return pa;
}
static void free(A* pa)
{
delete pa;
std::cout<<"A object was destroyed"<<std::endl;
}
};
typedef void(*deleter)(A*); //define a function type pointer to free;
int main()
{
std::shared_ptr<A> spa(A::alloc(), &A::free);//deleter: &A::free()
deleter* del = std::get_deleter<deleter>(spa);
std::cout<<"get_deleter(spa)!=0 == "<<std::boolalpha<<(del!=0)<<std::endl;
return 0;
}
输出：
（3）-> 、 * 操作符和 get 函数
shared_ptr 类重载了-> 操作符和 * 操作符，前者返回指向资源的指针；后者指向资源的引用。故无需内部指针。其原型如下：
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
T* get() const;
T& operator*()const;
T* operator->()const;
};
其中 get 函数返回指向资源的指针，基本等同于 ->操作符，且与auto_ptr 兼容。
例子4：
#include <iostream>
#include <memory>
class A
{
public:
void print(){std::cout<<"A::print"<<std::endl;}
};
int main()
{
std::shared_ptr<A> sp(new A);
A* pa = sp.get();
if(pa)pa->print();
std::cout<<"-> operator: ";
sp->print();
std::cout<<"* operator: ";
(*sp).print();
return 0;
}
输出：
（4）条件操作符（bool operator）
shared_ptr 类提供了布尔操作符，允许 shared_ptr 对象用于布尔表达式去检查是否该shared_ptr对象里的指针为NULL。
例子5：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
int main()
{
std::shared_ptr<std::string> sp1;
if(sp1)
{
std::cout<<"pointer in sp1 is not NULL"<<std::endl;
}
else
{
std::cout<<"pointer in sp1 is NULL"<<std::endl;
}
std::shared_ptr<std::string> sp2(new std::string("hello world"));
if(sp2)
{
std::cout<<"pointer in sp2 is not NULL"<<std::endl;
}
else
{
std::cout<<"pointer in sp2 is NULL"<<std::endl;
}
return 0;
}
输出：
（5）交换与赋值（Swap and assignment）
I、函数原型：void swap(shared_ptr& r); //交换*this 与 r 的内容
II、赋值操作符：operator= ，重载后可将shared_ptr 或 auto_ptr 对象赋值给 shared_ptr 对象。
原型如下：
template<class T> shared_ptr& operatork=(const shared_ptr<T>&r); template<class T> shared_ptr& operator=(const std::auto_ptr<T>& r); };
例子6：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
void isEmpty(std::shared_ptr<std::string>& r)
{
if(r)
{
std::cout<<"pointer in shared_ptr is not NULL"<<std::endl;
}
else
{
std::cout<<"pointer in shared_ptr is NULL"<<std::endl;
}
}
int main()
{
std::cout<<"before swap:"<<std::endl;
std::shared_ptr<std::string> sp1;
std::cout<<"sp1: ";
isEmpty(sp1);
std::shared_ptr<std::string> sp2(new std::string("hello world"));
std::cout<<"sp2: ";
isEmpty(sp2);
sp1.swap(sp2); //swap
std::cout<<"after swap:"<<std::endl;
std::cout<<"sp1: ";
isEmpty(sp1);
std::cout<<"sp2: ";
isEmpty(sp2);
std::cout<<"before operator=:"<<std::endl;
std::cout<<"sp1: "<<sp1<<", *sp1: "<<*sp1<<std::endl;
std::cout<<"sp2: ";
isEmpty(sp2);
sp2 = sp1; //assignment
std::cout<<"after operator=:"<<std::endl;
std::cout<<"sp1: "<<sp1<<", *sp1: "<<*sp1<<std::endl;
std::cout<<"sp2: "<<sp2<<", *sp2: "<<*sp2<<std::endl;
return 0;
}
输出：
（6）unique 与 use_count函数
函数原型：
//use_count long use_count() const; //返回所有指向共享资源的shared_ptr 指针对象的个数 //unique() bool unique() const; //检查是否当前只有一个share_ptr 指针指向共享的资源。等价于：use_count() == 1
例子7：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
int main()
{
std::shared_ptr<std::string> sp1(new std::string("hello world"));
std::cout<<"unique:"<<std::boolalpha<<sp1.unique()<<std::endl;
std::cout<<"count:"<<sp1.use_count()<<std::endl;
std::shared_ptr<std::string> sp2(sp1);
std::cout<<"unique:"<<std::boolalpha<<sp1.unique()<<std::endl;
std::cout<<"sp1 count:"<<sp1.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 count:"<<sp2.use_count()<<std::endl;
return 0;
}
输出：
（7）reset函数
函数原型：
//std::shared_ptr::reset void reset(); template<class Y> void reset(Y* ptr); template<class Y, class Deleter> void reset(Y* ptr, Deleter d);
该函数用 ptr 指针指向的资源替换掉当前shared_ptr 管理的资源，使 shared_ptr对象管理新的资源（pointered by ptr），以前资源对应的share_ptr 对象的引用计数减1。如果reset函数的参数为空，则表示*this（当前share_ptr 对象）退出共享资源。
例子8：
#include <iostream>
#include <memory>
class A
{
private:
int m_x;
public:
explicit A(int x =0):m_x(x){}
int getX(){return m_x;}
int setX(int x){m_x = x;}
void print(){std::cout<<"A::print"<<std::endl;}
static A* alloc(int x)
{
A* pa = new A(x);
std::cout<<"a new object was created"<<std::endl;
}
static void free(A* pa)
{
std::cout<<"x: "<<pa->getX();
delete pa;
std::cout<<",A object was destroyed"<<std::endl;
}
};
int main()
{
std::shared_ptr<A> sp1(new A(10),&A::free);
std::shared_ptr<A> sp2(sp1);
std::shared_ptr<A> sp3(sp1);
std::cout<<"sp1 x :"<<sp1->getX()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 x :"<<sp2->getX()<<std::endl;
std::cout<<"sp3 x :"<<sp3->getX()<<std::endl;
std::cout<<"sp1 count:"<<sp1.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 count:"<<sp2.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp3 count:"<<sp3.use_count()<<std::endl;
sp1.reset();
A* pa = new A(20);
sp2.reset(pa,&A::free);
std::cout<<"after reset:"<<std::endl;
if(NULL == sp1)
{
std::cout<<"pointer in sp1 is NULL"<<std::endl;
}
//std::cout<<"sp1 x :"<<sp1->getX()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 x :"<<sp2->getX()<<std::endl;
std::cout<<"sp3 x :"<<sp3->getX()<<std::endl;
std::cout<<"sp1 count:"<<sp1.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 count:"<<sp2.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp3 count:"<<sp3.use_count()<<std::endl;
return 0;
}
输出：
（8）shared_ptr 在 STL 容器中的应用
由前面提到，shared_ptr 相比于 auto_ptr，可复制和赋值，故可用于 STL 容器中。
下面的例子9：将shared_ptr<int> 放入容器中，并对每个容器中的元素进行操作，如使shared_ptr 指向的int 变量 变为原来的2倍。
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
#include <algorithm>
std::shared_ptr<int> double_it(const std::shared_ptr<int>& sp)
{
*sp *= 2;
return sp;
}
int main()
{
std::vector<std::shared_ptr<int>> numbers;
numbers.push_back(std::shared_ptr<int>(new int(1)));
numbers.push_back(std::shared_ptr<int>(new int(2)));
numbers.push_back(std::shared_ptr<int>(new int(3)));
std::cout<<"initially"<<std::endl;
for(std::vector<std::shared_ptr<int>>::const_iterator it = numbers.begin(); it != numbers.end(); it++)
{
std::cout<<*(*it)<<"(count = "<<(*it).use_count()<<")"<<std::endl;
}
std::transform(numbers.begin(), numbers.end(), numbers.begin(), double_it);
std::cout<<"after transformation"<<std::endl;
for(std::vector<std::shared_ptr<int>>::const_iterator it = numbers.begin(); it != numbers.end(); it++)
{
std::cout<<*(*it)<<"(count = "<<(*it).use_count()<<")"<<std::endl;
}
return 0;
}
输出：
（9）shared_ptr 在类层次结构中的应用
如 D 是 B 的子类，则可用shared_ptr<B>类型的对象（基类指针）接收shared_ptr<D>类型的对象（派生类指针）。
例子10：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>
class Item
{
private:
std::string title_;
public:
explicit Item(const std::string& title):title_(title){}
virtual ~Item(){}
virtual std::string Description() const = 0;
std::string getTitle()const {return title_;}
};
class Book: public Item
{
private:
int pages_;
public:
Book(const std::string& title, int pages):Item(title),pages_(pages){}
virtual std::string Description()const {return "Book: " + getTitle();}
int getPages()const {return pages_;}
};
class DVD: public Item
{
private:
int tracks_;
public:
DVD(const std::string& title, int tracks):Item(title),tracks_(tracks){}
virtual std::string Description() const {return "DVD: " + getTitle();}
int getTracks()const {return tracks_;}
};
int main()
{
std::vector<std::shared_ptr<Item>> items;
items.push_back(std::shared_ptr<Book>(new Book("C++ Primer",745)));
items.push_back(std::shared_ptr<DVD>(new DVD("MrVanGogh",9)));
for(std::vector<std::shared_ptr<Item>>::const_iterator it = items.begin(); it != items.end(); it++)
{
std::cout<<(*it)->Description()<<std::endl;
}
return 0;
}
输出：
（10）cast 操作符
C++ 中提供了四种强制类型转换操作符：static_cast, dynamic_cast, const_cast, reinterpret_cast。而关于shared_ptr 无法利用这些原始的操作符进行转换，其定义了自己的类型转换操作符：static_pointer_cast, dynamic_pointer_cast, const_pointer_cast 。
如【9】中提到的 “若 D 是 B的子类 ”，其为向上转换，但能否向下转换呢？即从 shared_ptr<B> 到 shared_ptr<D> （当然，前提是：shared_ptr<B> 已指向了一个D对象，现在要做的就是“还原它”）。
I、使用 std::dynamic_pointer_cast，可以达到目的：
template<class D, class B> shared_ptr<D> dynamic_pointer_cast(const shared_ptr<B>& r);
该函数不会抛出任何异常（noexcept）。若执行成功（ 前提：shared_ptr<B>对象 r 已经指向了一个D对象），则返回 shared_ptr<D> 共享资源的所有权，否则返回一个空对象。
例子11：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
class Item
{
private:
std::string title_;
public:
explicit Item(const std::string& title):title_(title){}
virtual ~Item(){}
virtual std::string Description() const = 0;
std::string getTitle()const {return title_;}
};
class Book: public Item
{
private:
int pages_;
public:
Book(const std::string& title, int pages):Item(title),pages_(pages){}
virtual std::string Description()const {return "Book: " + getTitle();}
int getPages()const {return pages_;}
};
class DVD: public Item
{
private:
int tracks_;
public:
DVD(const std::string& title, int tracks):Item(title),tracks_(tracks){}
virtual std::string Description() const {return "DVD: " + getTitle();}
int getTracks()const {return tracks_;}
};
int main()
{
std::shared_ptr<Item> spi(new DVD("MrVanGogh", 9));
std::cout<<"spi counter: "<<spi.use_count()<<std::endl;
std::shared_ptr<Book> spb = std::dynamic_pointer_cast<Book>(spi);
if(spb)
{
std::cout<<spb->getTitle()<<", "<<spb->getPages()<<std::endl;
}
else
{
std::cout<<"pointer in spb is NULL"<<std::endl;
}
std::shared_ptr<DVD> spd = std::dynamic_pointer_cast<DVD>(spi);
if(spd)
{
std::cout<<spd->getTitle()<<", "<<spd->getTracks()<<std::endl;
}
else
{
std::cout<<"pointer in spd is NULL"<<std::endl;
}
std::cout<<"spi counter: "<<spi.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"spb counter: "<<spb.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"spd counter: "<<spd.use_count()<<std::endl;
return 0;
}
输出：
II、static_pointer_cast
根据 static_cast 的知识：编译器隐式执行的任何类型转换都可以由static_cast 显示完成（如 int -> char；）； 如果编译器不提供自动转换，使用 static_cast 来执行类型转换也是很有用的（如，找回存放在 void* 指针中的值）。
注意：static_cast 转换的一个特点就是：它只会生成原变量的副本，不会对原变量有任何修改。
而static_pointer_cast 工作的前提是：static_cast<T*>(r.get()) 必须是有效的。二者理念相同！
例子12：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
int main()
{
std::vector<std::shared_ptr<void>> items;
std::shared_ptr<char> sp1(new char('A'));
std::shared_ptr<int> sp2(new int(66)); //66 ASCII : 'B'
std::cout<<"after creating the shared_ptr"<<std::endl;
std::cout<<"sp1 counter: "<<sp1.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 counter: "<<sp2.use_count()<<std::endl;
items.push_back(sp1);
items.push_back(sp2);
std::cout<<"after adding to the vector"<<std::endl;
std::cout<<"sp1 counter: "<<sp1.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 counter: "<<sp2.use_count()<<std::endl;
std::shared_ptr<char> spc1 = std::static_pointer_cast<char>(*(items.begin()));
if(spc1)
{
std::cout<<"&spc1: "<<&spc1<<std::endl;
std::cout<<"*spc1: "<<*spc1<<std::endl;
}
std::shared_ptr<char> spc2 = std::static_pointer_cast<char>(*(items.begin()+1));
if(spc2)
{
std::cout<<"&spc2: "<<&spc2<<std::endl;
std::cout<<"*spc2: "<<*spc2<<std::endl;
}
std::shared_ptr<short> spd2 = std::static_pointer_cast<short>(*(items.begin()+1));
if(spd2)
{
std::cout<<"&spd2: "<<&spd2<<std::endl;
std::cout<<"*spd2: "<<*spd2<<std::endl;
}
std::cout<<"after casting"<<std::endl;
std::cout<<"sp1 couner: "<<sp1.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"spc1 couner: "<<spc1.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"sp2 couner: "<<sp2.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"spc2 couner: "<<spc2.use_count()<<std::endl;
std::cout<<"spd2 couner: "<<spd2.use_count()<<std::endl;
return 0;
}
输出：
III、const_pointer_cast
若 const_cast<T*>(sp.get()) 返回一个NULL指针，则 std::cosnt_pointer_cast 返回一个空的对象。否则，它返回一个shared_ptr<T>对象。
原型：
template<classＴ，class U> shared_ptr<T>cosnt_pointer_cast(const shared_ptr<U>& r);
四、智能指针：std::tr1::weak_ptr
引入：由于 shared_ptr 智能指针的缺陷：无法检测循环引用（关于 share_ptr 的循环引用详细内容，可参见我的另一篇文章：Effective shared_ptr）---这是所有引用型智能指针的硬伤。为了解决这个问题又引入了 weak_ptr 指针。
概念：该类型智能指针也是指向由 shared_ptr 所指向的资源，但是不增加引用计数，故称为”弱引用（weak reference）“ 。当最后拥有资源的最后一个 shared_ptr 对象离开其作用域时，资源被释放，weak_ptr 被标记为无效状态。并且可以通过函数 expired() 来检查是是否 weak_ptr 处于无效状态。weak_ptr 在访问所引用的对象前必须先转换为 shared_ptr， 即其【来于 shared_ptr 也去于 shared_ptr】。
作用（观察者的角度）：weak_ptr 是用来表达临时所有权的概念：当某个对象只有存在时才需要被访问，而且随时可以被他人删除时，可以使用 weak_ptr 来跟踪该对象。需要获得临时所有权时，则将其转换为 shared_ptr ，此时若原来的 shared_ptr 被销毁，则该对象的生命周期将延长至这个临时生成的 shared_ptr 同样被销毁为止。
线程安全：考虑到多线程环境下，可通过std::weak_ptr::lock函数创建一个新的shared_ptr 管理对象的共享所有权-----作为临时访问的shared_ptr（此时引用计数是会增1 的，即此临时的 shared_ptr 若没有离开其作用域，共享的资源是不会被释放的）。如果没有管理的对象，即*this 为空，则返回的 shared_ptr 也是空；否则返回：shared_ptr<T>(*this) 。
例子13：
#include <iostream>
#include <memory>
void show(const std::weak_ptr<int>& wp)
{
std::shared_ptr<int> sp = wp.lock();
std::cout<<*sp<<std::endl;
}
int main()
{
std::weak_ptr<int> wp;
{ //create a namesapce deliberately
std::shared_ptr<int> sp(new int(10));
wp = sp;
show(wp);
}
std::cout<<"expire: "<<std::boolalpha<<wp.expired()<<std::endl;
return 0;
}
输出：
由于shared_ptr智能指针存在缺陷，故用好它也是很关键的问题，具体内容，见续集：Effective shared_ptr.