C++11 智能指针

原作者：Babu_Abdulsalam
本文翻译自CodeProject，转载请注明出处。

引入

Ooops. 尽管有另外一篇文章说C++11里的智能指针了。近来，我听到许多人谈论C++新标准，就是所谓的C++0x/C++11。 我研究了一下C++11的一些语言特性，发现确实它确实做出了一些惊奇的改变。我将重点关注C++11的智能指针部分。

背景

普通指针（normal/raw/naked pointers）的问题？

让我们一个接一个的讨论。

如果不恰当处理指针就会带来许多问题，所以人们总是避免使用它。这也是许多新手程序员不喜欢指针的原因。指针总是会扯上很多问题，例如指针所指向对象的生命周期，挂起引用（dangling references）以及内存泄露。

如果一块内存被多个指针引用，但其中的一个指针释放且其余的指针并不知道，这样的情况下，就发生了挂起引用。而内存泄露，就如你知道的一样，当从堆中申请了内存后不释放回去，这时就会发生内存泄露。
有人说，我写了清晰并且带有错误验证的代码，为什么我还要使用智能指针呢？一个程序员也问我：“嗨，下面是我的代码，我从堆（heap）中申请了一块内存，使用完后，我又正确的把它归还给了堆，那么使用智能指针的必要在哪里？”

void Foo( )
{
    int* iPtr = new int[5];

    //manipulate the memory block
    .
    .
    .

    delete[ ] iPtr;    
}

理想状况下，上面这段代码确实能够工作的很好，内存也能够恰当的释放回去。但是仔细思考一下实际的工作环境以及代码执行条件。在内存分配和释放的间隙，程序指令确实能做许多糟糕的事情，比如访问无效的内存地址，除以0，或者有另外一个程序员在你的程序中修改了一个bug，他根据一个条件增加了一个过早的返回语句。

在以上所有情况下，你的程序都走不到内存释放的那部分。前两种情况下，程序抛出了异常，而第三种情况，内存还没释放，程序就过早的return了。所以程序运行时，内存就已经泄露了。

解决以上所有问题的方法就是使用智能指针[如果它们足够智能的话]。

什么是智能指针？

智能指针是一个RAII（Resource Acquisition is initialization）类模型，用来动态的分配内存。它提供所有普通指针提供的接口，却很少发生异常。在构造中，它分配内存，当离开作用域时，它会自动释放已分配的内存。这样的话，程序员就从手动管理动态内存的繁杂任务中解放出来了。

C++98提供了第一种智能指针：auto_ptr

auto_ptr

让我们来见识一下auto_ptr如何解决上述问题的吧。

class Test
{
public:
 Test(int a = 0 ) : m_a(a)
 {
 }
 ~Test( )
 {
  cout<<"Calling destructor"<<endl;
 }
public:
 int m_a;
};

void main( )
{
 std::auto_ptr<Test> p( new Test(5) ); 
 cout<<p->m_a<<endl;
}

上述代码会智能地释放与指针绑定的内存。作用的过程是这样的：我们申请了一块内存来放Test对象，并且把他绑定到auto_ptr p上。所以当p离开作用域时，它所指向的内存块也会被自动释放。

//***************************************************************
class Test
{
public:
 Test(int a = 0 ) : m_a(a)
 {
 }
 ~Test( )
 {
  cout<<"Calling destructor"<<endl;
 }
public:
 int m_a;
};
//***************************************************************
void Fun( )
{
 int a = 0, b= 5, c;
 if( a ==0 )
 {
  throw "Invalid divisor";
 }
 c = b/a;
 return;
}
//***************************************************************
void main( )
{
 try
 {
  std::auto_ptr<Test> p( new Test(5) ); 
  Fun( );
  cout<<p->m_a<<endl;
 }
 catch(...)
 {
  cout<<"Something has gone wrong"<<endl;
 }
}

上面的例子中，尽管异常被抛出，但是指针仍然正确地被释放了。这是因为当异常抛出时，栈松绑（stack unwinding）,当try 块中的所有对象destroy后，p 离开了该作用域，所以它绑定的内存也就释放了。

Issue1：
目前为止，auto_ptr还是足够智能的，但是它还是有一些根本性的破绽的。当把一个auto_ptr赋给另外一个auto_ptr时，它的所有权(ownship)也转移了。当我在函数间传递auto_ptr时，这就是一个问题。话说，我在Foo()中有一个auto_ptr，然后在Foo()中我把指针传递给了Fun()函数，当Fun()函数执行完毕时，指针的所有权不会再返还给Foo。

//***************************************************************
class Test
{
public:
 Test(int a = 0 ) : m_a(a)
 {
 }
 ~Test( )
 {
  cout<<"Calling destructor"<<endl;
 }
public:
 int m_a;
};


//***************************************************************
void Fun(auto_ptr<Test> p1 )
{
 cout<<p1->m_a<<endl;
}
//***************************************************************
void main( )
{
 std::auto_ptr<Test> p( new Test(5) ); 
 Fun(p);
 cout<<p->m_a<<endl;
} 

由于auto_ptr的野指针行为，上面的代码导致程序崩溃。在这期间发生了这些细节，p拥有一块内存，当Fun调用时， p把关联的内存块的所有权传给了auto_ptr`` p1,p1是p的copy（注：这里从Fun函数的定义式看出，函数参数时值传递，所以把p的值拷进了函数中），这时p1就拥有了之前p拥有的内存块。目前为止，一切安好。现在Fun函数执行完了，p1离开了作用域，所以p1关联的内存块也就释放了。那么p呢？p什么都没了，这就是crash的原因了，下一行代码还试图访问p，好像p还拥有什么资源似的。

Issue2：
还有另外一个缺点。auto_ptr不能指向一组对象，就是说它不能和操作符new[]一起使用。

//***************************************************************
void main( )
{
 std::auto_ptr<Test> p(new Test[5]);
}

上面的代码将产生一个运行时错误。因为当auto_ptr离开作用域时，delete被默认用来释放关联的内存空间。当auto_ptr只指向一个对象时，这当然是没问题的，但是在上面的代码里，我们在堆里创建了一组对象，应该使用delete[]来释放，而不是delete.

Issue3:
auto_ptr不能和标准容器（vector,list,map….)一起使用。

因为auto_ptr容易产生错误，所以它也将被废弃了。C++11提供了一组新的智能指针，每一个都各有用武之地。

• shared_ptr
• unique_ptr
• weak_ptr

shared_ptr

好吧，准备享受真正的智能。第一种智能指针是shared_ptr,它有一个叫做共享所有权(sharedownership)的概念。shared_ptr的目标非常简单：多个指针可以同时指向一个对象，当最后一个shared_ptr离开作用域时，内存才会自动释放。

创建：

void main( )
{
 shared_ptr<int> sptr1( new int );
}

使用make_shared宏来加速创建的过程。因为shared_ptr主动分配内存并且保存引用计数(reference count),make_shared 以一种更有效率的方法来实现创建工作。

void main( )
{
 shared_ptr<int> sptr1 = make_shared<int>(100);
}

上面的代码创建了一个shared_ptr,指向一块内存，该内存包含一个整数100，以及引用计数1.如果通过sptr1再创建一个shared_ptr,引用计数就会变成2. 该计数被称为强引用(strong reference)，除此之外，shared_ptr还有另外一种引用计数叫做弱引用(weak reference)，后面将介绍。

通过调用use_count()可以得到引用计数， 据此你能找到shared_ptr的数量。当debug的时候，可以通过观察shared_ptr中strong_ref的值得到引用计数。

析构
shared_ptr默认调用delete释放关联的资源。如果用户采用一个不一样的析构策略时，他可以自由指定构造这个shared_ptr的策略。下面的例子是一个由于采用默认析构策略导致的问题：

class Test
{
public:
 Test(int a = 0 ) : m_a(a)
 {
 }
 ~Test( )
 {
  cout<<"Calling destructor"<<endl;
 }
public:
         int m_a;
};
void main( )
{
 shared_ptr<Test> sptr1( new Test[5] );
}

在此场景下，shared_ptr指向一组对象，但是当离开作用域时，默认的析构函数调用delete释放资源。实际上，我们应该调用delete[]来销毁这个数组。用户可以通过调用一个函数，例如一个lamda表达式，来指定一个通用的释放步骤。

void main( )
{
 shared_ptr<Test> sptr1( new Test[5], 
        [ ](Test* p) { delete[ ] p; } );
}

通过指定delete[]来析构，上面的代码可以完美运行。

接口
就像一个普通指针一样，shared_ptr也提供解引用操作符*,->。除此之外，它还提供了一些更重要的接口：

• get(): 获取shared_ptr绑定的资源.
• reset(): 释放关联内存块的所有权，如果是最后一个指向该资源的shared_ptr,就释放这块内存。
• unique: 判断是否是唯一指向当前内存的shared_ptr.

• operator bool : 判断当前的shared_ptr是否指向一个内存块，可以用if 表达式判断。

  OK，上面是所有关于shared_ptr的描述，但是shared_ptr也有一些问题：
  Issues：

void main( )
{
 shared_ptr<int> sptr1( new int );
 shared_ptr<int> sptr2 = sptr1;
 shared_ptr<int> sptr3;
 sptr3 =sptr

Issues:
下表是上面代码中引用计数变化情况：

所有的shared_ptrs拥有相同的引用计数，属于相同的组。上述代码工作良好，让我们看另外一组例子。

void main( )
{
 int* p = new int;
 shared_ptr<int> sptr1( p);
 shared_ptr<int> sptr2( p );
}

上述代码会产生一个错误，因为两个来自不同组的shared_ptr指向同一个资源。下表给你关于错误原因的图景：

避免这个问题，尽量不要从一个裸指针(naked pointer)创建shared_ptr.

class B;
class A
{
public:
 A(  ) : m_sptrB(nullptr) { };
 ~A( )
 {
  cout<<" A is destroyed"<<endl;
 }
 shared_ptr<B> m_sptrB;
};
class B
{
public:
 B(  ) : m_sptrA(nullptr) { };
 ~B( )
 {
  cout<<" B is destroyed"<<endl;
 }
 shared_ptr<A> m_sptrA;
};
//***********************************************************
void main( )
{
 shared_ptr<B> sptrB( new B );
 shared_ptr<A> sptrA( new A );
 sptrB->m_sptrA = sptrA;
 sptrA->m_sptrB = sptrB;
}

上面的代码产生了一个循环引用.A对B有一个shared_ptr, B对A也有一个shared_ptr ，与sptrA和sptrB关联的资源都没有被释放，参考下表：

当sptrA和sptrB离开作用域时，它们的引用计数都只减少到1，所以它们指向的资源并没有释放！！！！！

1. 如果几个shared_ptrs指向的内存块属于不同组，将产生错误。
2. 如果从一个普通指针创建一个shared_ptr还会引发另外一个问题。在上面的代码中，考虑到只有一个shared_ptr是由p创建的，代码可以好好工作。万一程序员在智能指针作用域结束之前删除了普通指针p。天啦噜！！！又是一个crash。

3. 循环引用：如果共享智能指针卷入了循环引用，资源都不会正常释放。

   为了解决循环引用，C++提供了另外一种智能指针：weak_ptr

Weak_Ptr

weak_ptr 拥有共享语义（sharing semantics）和不包含语义（not owning semantics）。这意味着，weak_ptr可以共享shared_ptr持有的资源。所以可以从一个包含资源的shared_ptr创建weak_ptr。

weak_ptr不支持普通指针包含的*，->操作。它并不包含资源所以也不允许程序员操作资源。既然如此，我们如何使用weak_ptr呢？

答案是从weak_ptr中创建shared_ptr然后再使用它。通过增加强引用计数，当使用时可以确保资源不会被销毁。当引用计数增加时，可以肯定的是从weak_ptr中创建的shared_ptr引用计数至少为1.否则，当你使用weak_ptr就可能发生如下问题：当shared_ptr离开作用域时，其拥有的资源会释放，从而导致了混乱。

创建

可以以shared_ptr作为参数构造weak_ptr.从shared_ptr创建一个weak_ptr增加了共享指针的弱引用计数(weak reference)，意味着shared_ptr与其它的指针共享着它所拥有的资源。但是当shared_ptr离开作用域时，这个计数不作为是否释放资源的依据。换句话说，就是除非强引用计数变为0，才会释放掉指针指向的资源，在这里，弱引用计数(weak reference)不起作用。

void main( )
{
 shared_ptr<Test> sptr( new Test );
 weak_ptr<Test> wptr( sptr );
 weak_ptr<Test> wptr1 = wptr;
}

可以从下图观察shared_ptr和weak_ptr的引用计数：

将一个weak_ptr赋给另一个weak_ptr会增加弱引用计数(weak reference count)。

所以，当shared_ptr离开作用域时，其内的资源释放了，这时候指向该shared_ptr的weak_ptr发生了什么？weak_ptr过期了（expired）。

如何判断weak_ptr是否指向有效资源，有两种方法：

1. 调用use-count()去获取引用计数，该方法只返回强引用计数，并不返回弱引用计数。

2. 调用expired()方法。比调用use_count()方法速度更快。

   从weak_ptr调用lock()可以得到shared_ptr或者直接将weak_ptr转型为shared_ptr

void main( )
{
 shared_ptr<Test> sptr( new Test );
 weak_ptr<Test> wptr( sptr );
 shared_ptr<Test> sptr2 = wptr.lock( );
}

如之前所述，从weak_ptr中获取shared_ptr增加强引用计数。

现在让我们见识一下weak_ptr如何解决循环引用问题：

class B;
class A
{
public:
 A(  ) : m_a(5)  { };
 ~A( )
 {
  cout<<" A is destroyed"<<endl;
 }
 void PrintSpB( );
 weak_ptr<B> m_sptrB;
 int m_a;
};
class B
{
public:
 B(  ) : m_b(10) { };
 ~B( )
 {
  cout<<" B is destroyed"<<endl;
 }
 weak_ptr<A> m_sptrA;
 int m_b;
};

void A::PrintSpB( )
{
 if( !m_sptrB.expired() )
 {  
  cout<< m_sptrB.lock( )->m_b<<endl;
 }
}

void main( )
{
 shared_ptr<B> sptrB( new B );
 shared_ptr<A> sptrA( new A );
 sptrB->m_sptrA = sptrA;
 sptrA->m_sptrB = sptrB;
 sptrA->PrintSpB( ); 
}

unique_ptr

unique_ptr也是对auto_ptr的替换。unique_ptr遵循着独占语义。在任何时间点，资源只能唯一地被一个unique_ptr占有。当unique_ptr离开作用域，所包含的资源被释放。如果资源被其它资源重写了，之前拥有的资源将被释放。所以它保证了他所关联的资源总是能被释放。

创建
unique_ptr的创建方法和shared_ptr一样，除非创建一个指向数组类型的unique_ptr。

unique_ptr<int> uptr( new int );

unique_ptr提供了创建数组对象的特殊方法，当指针离开作用域时，调用delete[]代替delete。当创建unique_ptr时，这一组对象被视作模板参数的部分。这样，程序员就不需要再提供一个指定的析构方法，如下：

unique_ptr<int[ ]> uptr( new int[5] );

当把unique_ptr赋给另外一个对象时，资源的所有权就会被转移。

记住unique_ptr不提供复制语义（拷贝赋值和拷贝构造都不可以），只支持移动语义(move semantics).

在上面的例子里，如果upt3和upt5已经拥有了资源，只有当拥有新资源时，之前的资源才会释放。

接口

unique_ptr提供的接口和传统指针差不多，但是不支持指针运算。

unique_ptr提供一个release()的方法，释放所有权。release和reset的区别在于，release仅仅释放所有权但不释放资源，reset也释放资源。

使用哪一个？

完全取决于你想要如何拥有一个资源，如果需要共享资源使用shared_ptr,如果独占使用资源就使用unique_ptr.

除此之外，shared_ptr比unique_ptr更加重，因为他还需要分配空间做其它的事，比如存储强引用计数，弱引用计数。而unique_ptr不需要这些，它只需要独占着保存资源对象。