Boost智能指针——scoped_ptr、shared_ptr、weak_ptr、intrusive_ptr

一、scoped_ptr

boost::scoped_ptr和std::auto_ptr非常类似，是一个简单的智能指针，它能够保证在离开作用域后对象被自动释放。下列代码演示了该指针的基本应用：

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/scoped_ptr.hpp>

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};

void test()
{
    boost::scoped_ptr<implementation> impl(new implementation());
    impl->do_something();
}

void main()
{
    std::cout<<"Test Begin ... \n";
    test();
    std::cout<<"Test End.\n";
}

该代码的输出结果是：

Test Begin ... did something destroying implementation Test End.

可以看到：当implementation类离其开impl作用域的时候，会被自动删除，这样就会避免由于忘记手动调用delete而造成内存泄漏了。

boost::scoped_ptr特点：

boost::scoped_ptr的实现和std::auto_ptr非常类似，都是利用了一个栈上的对象去管理一个堆上的对象，从而使得堆上的对象随着栈上的对象销毁时自动删除。不同的是，boost::scoped_ptr有着更严格的使用限制——不能拷贝。这就意味着：boost::scoped_ptr指针是不能转换其所有权的。

1. 不能转换所有权
   boost::scoped_ptr所管理的对象生命周期仅仅局限于一个区间（该指针所在的"{}"之间），无法传到区间之外，这就意味着boost::scoped_ptr对象是不能作为函数的返回值的（std::auto_ptr可以）。
2. 不能共享所有权
   这点和std::auto_ptr类似。这个特点一方面使得该指针简单易用。另一方面也造成了功能的薄弱——不能用于stl的容器中。
3. 不能用于管理数组对象
   由于boost::scoped_ptr是通过 delete来删除所管理对象的，而数组对象必须通过 deletep[]来删除，因此boost::scoped_ptr是不能管理数组对象的，如果要管理数组对象需要使用boost::scoped_array类。

boost::scoped_ptr的常用操作：

可以简化为如下形式：

namespace boost {

    template<typename T> class scoped_ptr : noncopyable {
    public:
        explicit scoped_ptr(T* p = 0); 
        ~scoped_ptr(); 

        void reset(T* p = 0); 

        T& operator*() const; 
        T* operator->() const; 
        T* get() const; 

        void swap(scoped_ptr& b); 
    };

    template<typename T> 
    void swap(scoped_ptr<T> & a, scoped_ptr<T> & b); 
}

它的常用操作如下：

成员函数	功能
operator*()	以引用的形式访问所管理的对象的成员
operator->()	以指针的形式访问所管理的对象的成员
get()	释放所管理的对象，管理另外一个对象
swap(scoped_ptr& b)	交换两个boost::scoped_ptr管理的对象

 

下列测试代码演示了这些功能函数的基本使用方法。

#include <string>
#include <iostream>

#include <boost/scoped_ptr.hpp>
#include <boost/scoped_array.hpp>

#include <boost/config.hpp>
#include <boost/detail/lightweight_test.hpp>

void test()
{
    // test scoped_ptr with a built-in type
    long * lp = new long;
    boost::scoped_ptr<long> sp ( lp );
    BOOST_TEST( sp.get() == lp );
    BOOST_TEST( lp == sp.get() );
    BOOST_TEST( &*sp == lp );

    *sp = 1234568901L;
    BOOST_TEST( *sp == 1234568901L );
    BOOST_TEST( *lp == 1234568901L );

    long * lp2 = new long;
    boost::scoped_ptr<long> sp2 ( lp2 );

    sp.swap(sp2);
    BOOST_TEST( sp.get() == lp2 );
    BOOST_TEST( sp2.get() == lp );

    sp.reset(NULL);
    BOOST_TEST( sp.get() == NULL );

}

void main()
{
    test();
}

boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的选取：

boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的功能和操作都非常类似，如何在他们之间选取取决于是否需要转移所管理的对象的所有权（如是否需要作为函数的返回值）。如果没有这个需要的话，大可以使用boost::scoped_ptr，让编译器来进行更严格的检查，来发现一些不正确的赋值操作。

【转自：http://www.cnblogs.com/TianFang/archive/2008/09/15/1291050.html】

二、shared_ptr

boost::scoped_ptr虽然简单易用，但它不能共享所有权的特性却大大限制了其使用范围，而boost::shared_ptr可以解决这一局限。顾名思义，boost::shared_ptr是可以共享所有权的智能指针，首先让我们通过一个例子看看它的基本用法：

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};

void test()
{
    boost::shared_ptr<implementation> sp1(new implementation());
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp1.use_count()<<" references\n";

    boost::shared_ptr<implementation> sp2 = sp1;
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";
    
    sp1.reset();
    std::cout<<"After Reset sp1. The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";

    sp2.reset();
    std::cout<<"After Reset sp2.\n";
}

void main()
{
    test();
}

该程序的输出结果如下：

The Sample now has 1 references
The Sample now has 2 references
After Reset sp1. The Sample now has 1 references
destroying implementation
After Reset sp2.

可以看到，boost::shared_ptr指针sp1和sp2同时拥有了implementation对象的访问权限，且当sp1和sp2都释放对该对象的所有权时，其所管理的的对象的内存才被自动释放。在共享对象的访问权限同时，也实现了其内存的自动管理。

boost::shared_ptr的内存管理机制：

boost::shared_ptr的管理机制其实并不复杂，就是对所管理的对象进行了引用计数，当新增一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数加一；减少一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数减一，如果该对象的引用计数为0的时候，说明没有任何指针对其管理，才调用delete释放其所占的内存。

上面的那个例子可以的图示如下：

1. sp1对implementation对象进行管理，其引用计数为1 
   
2. 增加sp2对implementation对象进行管理，其引用计数增加为2 
   
3. sp1释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为1 
   
4. sp2释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为0，该对象被自动删除 
   

boost::shared_ptr的特点：

和前面介绍的boost::scoped_ptr相比，boost::shared_ptr可以共享对象的所有权，因此其使用范围基本上没有什么限制（还是有一些需要遵循的使用规则，下文中介绍），自然也可以使用在stl的容器中。另外它还是线程安全的，这点在多线程程序中也非常重要。

boost::shared_ptr的使用规则：

boost::shared_ptr并不是绝对安全，下面几条规则能使我们更加安全的使用boost::shared_ptr：

1. 避免对shared_ptr所管理的对象的直接内存管理操作，以免造成该对象的重释放
2. shared_ptr并不能对循环引用的对象内存自动管理（这点是其它各种引用计数管理内存方式的通病）。
3. 不要构造一个临时的shared_ptr作为函数的参数。
   

   如下列代码则可能导致内存泄漏：
   void test()
   {
       foo(boost::shared_ptr<implementation>(new    implementation()),g());
   }
   正确的用法为：
   void test()
   {
       boost::shared_ptr<implementation> sp    (new implementation());
       foo(sp,g());
   }

   ps: (#3) why?
   网上看到一个解释：
   void fun(AClass b,const shared_ptr<A>& a);
   如果使用临时的shared_ptr作为函数的参数
   AClass b;
   fun(b,shared_ptr<A>(new A()));
   如果b的拷贝复制函数操作发送了异常，后面的临时智能指针的引用计数可能无法正确清0来释放内存，造成内存泄漏，正确要写出
   shared_ptr<A> aptr(new A());
   AClass b;
   fun(b,aptr);

三、Boost智能指针——weak_ptr

循环引用：

引用计数是一种便利的内存管理机制，但它有一个很大的缺点，那就是不能管理循环引用的对象。一个简单的例子如下：

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>

class parent;
class children;

typedef boost::shared_ptr<parent> parent_ptr;
typedef boost::shared_ptr<children> children_ptr;

class parent
{
public:
    ~parent() { std::cout <<"destroying parent\n"; }

public:
    children_ptr children;
};

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

public:
    parent_ptr parent;
};


void test()
{
    parent_ptr father(new parent());
    children_ptr son(new children);

    father->children = son;
    son->parent = father;
}

void main()
{
    std::cout<<"begin test...\n";
    test();
    std::cout<<"end test.\n";
}

运行该程序可以看到，即使退出了test函数后，由于parent和children对象互相引用，它们的引用计数都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了c++中那臭名昭著的内存泄漏。

一般来讲，解除这种循环引用有下面有三种可行的方法：

1. 当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。
2. 当parent的生存期超过children的生存期的时候，children改为使用一个普通指针指向parent。
3. 使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。

虽然这三种方法都可行，但方法1和方法2都需要程序员手动控制，麻烦且容易出错。这里主要介绍一下第三种方法和boost中的弱引用的智能指针boost::weak_ptr。

强引用和弱引用

一个强引用当被引用的对象活着的话，这个引用也存在（就是说，当至少有一个强引用，那么这个对象就不能被释放）。boost::share_ptr就是强引用。

相对而言，弱引用当引用的对象活着的时候不一定存在。仅仅是当它存在的时候的一个引用。弱引用并不修改该对象的引用计数，这意味这弱引用它并不对对象的内存进行管理，在功能上类似于普通指针，然而一个比较大的区别是，弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免访问非法内存。

boost::weak_ptr

boost::weak_ptr<T>是boost提供的一个弱引用的智能指针，它的声明可以简化如下：

namespace boost {

    template<typename T> class weak_ptr {
    public:
        template <typename Y>
        weak_ptr(const shared_ptr<Y>& r);

        weak_ptr(const weak_ptr& r);

        ~weak_ptr();

        T* get() const; 
        bool expired() const; 
        shared_ptr<T> lock() const;
    }; 
}

可以看到，boost::weak_ptr必须从一个boost::share_ptr或另一个boost::weak_ptr转换而来，这也说明，进行该对象的内存管理的是那个强引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。

boost::weak_ptr除了对所管理对象的基本访问功能（通过get()函数）外，还有两个常用的功能函数：expired()用于检测所管理的对象是否已经释放；lock()用于获取所管理的对象的强引用指针。

通过boost::weak_ptr来打破循环引用

由于弱引用不更改引用计数，类似普通指针，只要把循环引用的一方使用弱引用，即可解除循环引用。对于上面的那个例子来说，只要把children的定义改为如下方式，即可解除循环引用：

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

public:
    boost::weak_ptr<parent> parent;
};

最后值得一提的是,虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用，但这种方式必须在程序员能预见会出现循环引用的情况下才能使用，也可以是说这个仅仅是一种编译期的解决方案，如果程序在运行过程中出现了循环引用，还是会造成内存泄漏的。因此，不要认为只要使用了智能指针便能杜绝内存泄漏。毕竟，对于C++来说，由于没有垃圾回收机制，内存泄漏对每一个程序员来说都是一个非常头痛的问题。

四、智能指针——boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr一种“侵入式”的引用计数指针，它实际并不提供引用计数功能，而是要求被存储的对象自己实现引用计数功能，并提供intrusive_ptr_add_ref和intrusive_ptr_release函数接口供boost::intrusive_ptr调用。

下面通过一个具体的例子来说明boost::intrusive_ptr的用法，首先实现一个基类intrusive_ptr_base，定义intrusive_ptr_add_ref和intrusive_ptr_release函数来提供引用计数功能。

/**
* intrusive_ptr_base基类，提供intrusive_ptr_add_ref()和intrusive_ptr_release()函数来提供引用计数功能；
* 使用boost::intrusive_ptr指针存储的用户类类型必须继承自intrusive_ptr_base基类。
*/
#include <ostream>
#include <boost/checked_delete.hpp>
#include <boost/detail/atomic_count.hpp>
 
 
template<class T>
class intrusive_ptr_base {
public:
    /**
    * 缺省构造函数
    */
    intrusive_ptr_base(): ref_count(0) {
        std::cout << "  Default constructor " << std::endl;
    }
     
    /**
    * 不允许拷贝构造，只能使用intrusive_ptr来构造另一个intrusive_ptr
    */
    intrusive_ptr_base(intrusive_ptr_base<T> const&): ref_count(0) {
        std::cout << "  Copy constructor..." << std::endl;
    }
     
    /**
    * 不允许进行赋值操作
    */
    intrusive_ptr_base& operator=(intrusive_ptr_base const& rhs) {
        std::cout << "  Assignment operator..." << std::endl;
        return *this;
    }
     
    /**
    * 递增引用计数（放到基类中以便compiler能找到，否则需要放到boost名字空间中）
    */
    friend void intrusive_ptr_add_ref(intrusive_ptr_base<T> const* s) {
        std::cout << "  intrusive_ptr_add_ref..." << std::endl;
        assert(s->ref_count >= 0);
        assert(s != 0);
        ++s->ref_count;
    }
 
    /**
    * 递减引用计数
    */
    friend void intrusive_ptr_release(intrusive_ptr_base<T> const* s) {
        std::cout << "  intrusive_ptr_release..." << std::endl;
        assert(s->ref_count > 0);
        assert(s != 0);
        if (--s->ref_count == 0)
            boost::checked_delete(static_cast<T const*>(s));  //s的实际类型就是T，intrusive_ptr_base<T>为基类
    }
     
    /**
    * 类似于shared_from_this()函数
    */
    boost::intrusive_ptr<T> self() {
        return boost::intrusive_ptr<T>((T*)this);
    }
     
    boost::intrusive_ptr<const T> self() const {
        return boost::intrusive_ptr<const T>((T const*)this);
    }
     
    int refcount() const {
        return ref_count;
    }
     
private:
    ///should be modifiable even from const intrusive_ptr objects
    mutable boost::detail::atomic_count ref_count;
 
};

用户类类型需要继承intrusive_ptr_base基类，以便具有引用计数功能。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost/intrusive_ptr.hpp>
#include "intrusive_ptr_base.hpp"
 
/**
* 用户类类型继承自intrusive_ptr_base，该实现方式类似于boost::enable_shared_from_this<Y>
*/
class Connection : public intrusive_ptr_base< Connection > {
public:
    /**
    * 构造函数，调用intrusive_ptr_base< Connection >的缺省构造函数来初始化对象的基类部分
    */
    Connection(int id, std::string tag):
        connection_id( id ), connection_tag( tag ) {}
 
    /**
    * 拷贝构造函数，只复制自身数据，不能复制引用计数部分
    */
    Connection(const Connection& rhs):
        connection_id( rhs.connection_id ), connection_tag( rhs.connection_tag) {}
     
    /**
    * 赋值操作，同样不能复制引用计数部分
    */
    const Connection operator=( const Connection& rhs) {
        if (this != &rhs) {
            connection_id = rhs.connection_id;
            connection_tag = rhs.connection_tag;
        }
         
        return *this;
    }
 
private:
    int connection_id;
    std::string connection_tag;
};
 
int main() {
    std::cout << "Create an intrusive ptr" << std::endl;
    boost::intrusive_ptr< Connection > con0 (new Connection(4, "sss") );  //调用intrusive_ptr_add_ref()递增引用计数
    std::cout << "Create an intrusive ptr. Refcount = " << con0->refcount() << std::endl;
 
    boost::intrusive_ptr< Connection > con1 (con0);   //调用intrusive_ptr_add_ref()
    std::cout << "Create an intrusive ptr. Refcount = " << con1->refcount() << std::endl;
    boost::intrusive_ptr< Connection > con2 = con0;   //调用intrusive_ptr_add_ref()
    std::cout << "Create an intrusive ptr. Refcount = " << con2->refcount() << std::endl;
     
    std::cout << "Destroy an intrusive ptr" << std::endl;
 
    return 0;
}

程序运行输出：

Create an intrusive ptr
Default constructor
intrusive_ptr_add_ref...
Create an intrusive ptr. Refcount = 1
intrusive_ptr_add_ref...
Create an intrusive ptr. Refcount = 2
intrusive_ptr_add_ref...
Create an intrusive ptr. Refcount = 3
Destroy an intrusive ptr
intrusive_ptr_release...
intrusive_ptr_release...
intrusive_ptr_release...




对比boost::shared_ptr

使用boost::shared_ptr用户类本省不需要具有引用计数功能，而是由boost::shared_ptr来提供；使用boost::shared_ptr的一大陷阱就是用一个raw pointer多次创建boost::shared_ptr，这将导致该raw pointer被多次销毁当boost::shared_ptr析构时。即不能如下使用：

int *a = new int(5);
boost::shared_ptr ptr1(a);
boost::shared_ptr ptr2(a);　　//错误！

boost::intrusive_ptr完全具备boost::shared_ptr的功能，且不存在shared_ptr的问题，即可以利用raw pointer创建多个intrusive _ptr，其原因就在于引用计数的ref_count对象，shared_ptr是放在shared_ptr结构里，而目标对象T通过继承intrusive_ptr_base将引用计数作为T对象的内部成员变量，就不会出现同一个对象有两个引用计数器的情况出现。


那么为什么通常鼓励大家使用shared_ptr，而不是intrusive_ptr呢， 在于shared_ptr不是侵入性的，可以指向任意类型的对象； 而intrusive_ptr所要指向的对象，需要继承intrusive_ptr_base，即使不需要，引用计数成员也会被创建。

结论：如果创建新类且需要进行传递，则继承intrusive_ptr_base，使用intrusive_ptr。

【（四）转自：http://www.cnblogs.com/edwardlost/archive/2011/02/17/1957019.html】