引用计数智能指针

<a>C++ <span style="font-family:宋体;">智能指针详解</span></a> 

一、简介

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制，程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete，流程太复杂，最终导致没有 delete，异常导致程序过早退出，没有执行 delete 的情况并不罕见。用智能指针便可以有效缓解这类问题，本文主要讲解参见的智能指针的用法。包括：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost::intrusive_ptr。你可能会想，如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题.

    下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针（smart_ptr）。

二、具体使用

对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并非指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了“operator->”操作符，直接返回对象的引用，用以操作对象。访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。

访问智能指针包含的裸指针则可以用 get() 函数。由于智能指针是一个对象，所以if (my_smart_object)永远为真，要判断智能指针的裸指针是否为空，需要这样判断：if (my_smart_object.get())。

智能指针包含了 reset() 方法，如果不传递参数（或者传递 NULL），则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象，则智能指针会释放当前对象，来管理新传入的对象。

我们编写一个测试类来辅助分析：

std::auto_ptr

std::auto_ptr 属于 STL，当然在 namespace std 中，包含头文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。

std::auto_ptr 的源码后，我们看到，罪魁祸首是“my_memory = my_memory”，这行代码，my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权，导致 my_memory 悬空，最后使用时导致崩溃。

所以，使用 std::auto_ptr 时，绝对不能使用“operator=”操作符。

我们调用 release() 函数释放内存，结果却导致内存泄露（在内存受限系统中，如果my_memory占用太多内存，我们会考虑在使用完成后，立刻归还，而不是等到 my_memory 结束生命期后才归还）。

原来 std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权，这显然也不符合 C++ 编程思想。

std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存，但是，请注意如下几点：

（1）    尽量不要使用“operator=”。如果使用了，请不要再使用先前对象。

（2）    记住 release() 函数不会释放对象，仅仅归还所有权。

（3）    std::auto_ptr 最好不要当成参数传递（读者可以自行写代码确定为什么不能）。

（4）    由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题，有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。

（5）    ……

使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多，还不能用来管理堆内存数组，这应该是你目前在想的事情吧，我也觉得限制挺多的，哪天一个不小心，就导致问题了。

由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题，一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想。

boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 属于boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样，可以方便的管理单个堆内存对象，特别的是，boost::scoped_ptr 独享所有权，避免了 std::auto_ptr 恼人的几个问题。

boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数，不会导致先前的内存泄露问题。其次，由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的，所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句，可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。

由于 boost::scoped_ptr 独享所有权，当我们真真需要复制智能指针时，需求便满足不了，如此我们再引入一个智能指针，专门用于处理复制，参数传递的情况，这便是如下的 boost::shared_ptr。

 

boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权，不允许赋值、拷贝，boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的，由于要共享所有权，其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。

 

boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点，boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数，由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ，此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。当我们需要使用一个共享对象的时候，boost::shared_ptr 是再好不过的了。

  在多线程中使用shared_ptr时，如果存在拷贝或赋值操作，可能会由于同时访问引用计数而导致计数无效。解决方法是向每个线程中传递公共的week_ptr，线程中需要使用shared_ptr时，将week_ptr转换成shared_ptr即可。你可以用下列方法把 shared_ptr 传递给另一个函数：

向 shared_ptr 传递值。 调用复制构造函数，递增引用计数，并把被调用方当做所有者。还有就是在这次操作中有少量的开销，这很大程度上取决于你传递了多少 shared_ptr 对象。当调用方和被调用方之间的代码协定 (隐式或显式) 要求被调用方是所有者，使用此选项。

通过引用或常量引用来传递 shared_ptr。  在这种情况下，引用计数不增加，并且只要调用方不超出范围，被调用方就可以访问指针。 或者，被调用方可以决定创建一个基于引用的 shared_ptr，从而成为一个共享所有者。 当调用者并不知道被被调用方，或当您必须传递一个 shared_ptr，并希望避免由于性能原因的复制操作，请使用此选项。

通过底层的指针或引用底层的对象。 这使得被调用方使用对象，但不使共享所有权或扩展生存期。如果被调用方从原始指针创建一个 shared_ptr，则新的 shared_ptr 是独立于原来的，且没有控制底层的资源。 当调用方和被调用方之间的协定中明确规定调用者保留shared_ptr 生存期的所有权，则使用此选项。

当您决定如何传递一个 shared_ptr时，确定被调用方是否有共享基础资源的所有权。一个“所有者”就是只要它需要就可以使用底层资源的对象或函数。 如果调用方必须保证被调用方可以在其（函数）生存期以外扩展指针的生存期，请使用第一个选项。 如果您不关心被调用方是否扩展生存期，则通过引用传递并让被调用方复制它。

如果不得不允许帮助程序函数访问底层指针，并且您知道帮助程序函数将使用指针且在调用函数返回前先返回，则该函数不必共享底层指针的所有权。仅仅是在调用方的 shared_ptr 的生存期内允许访问指针。在这种情况下，通过引用来传递 shared_ptr，通过原始指针或引用的基本对象都是安全的。通过此方式提供一个小的性能改进，并且还有助于表示程序的意图。

有时，例如在一个 std:vector<shared_ptr<T>>中，您可能必须对传递每个shared_ptr 给lambda表达式体或命名函数对象。 如果lambda或函数没有存储指针，则通过引用传递shared_ptr，以避免调用拷贝构造函数的每个元素。

 

boost::scoped_array

boost::scoped_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样，也是独享所有权的。

boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);  // 使用内存数组来初始化boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持复制，并且初始化的时候需要使用动态数组。另外，boost::scoped_array 没有重载“operator*”，其实这并无大碍，一般情况下，我们使用 get() 函数更明确些了。

boost::shared_array

一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。

boost::shared_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

由于 boost::scoped_array 独享所有权，显然在很多情况下（参数传递、对象赋值等）不满足需求，由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样，内部使用了引用计数。

跟 boost::shared_ptr 一样，使用了引用计数，可以复制，通过参数来传递。

至此，我们讲过的智能指针有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了，90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针，它们肯定有用，但有什么用处呢，一起看看吧。

 

boost::weak_ptr  

boost::weak_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

在讲 boost::weak_ptr 之前，让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了，这儿还多出一个 boost::weak_ptr，是否还有某些情况我们没纳入考虑呢？

 

回答：有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候，我们只关心能否使用对象，并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的观察者（Observer）对象，观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用，而不改变其引用计数，当被观察的 boost::shared_ptr 失效后，相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。    

      boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;

      boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1))

我们看到，尽管被赋值了，内部的引用计数并没有什么变化。现在要说的问题是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？从上面那个例子看来，似乎没有任何作用，其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中，可以在基类（此处的基类并非抽象基类，而是指继承于抽象基类的虚基类）中定义一个 boost::weak_ptr，用于指向子类的 boost::shared_ptr，这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了，而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数，用以降低复杂度，更好的管理对象。

boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

讲完如上 6 种智能指针后，对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了，现在有多了一种 boost::intrusive_ptr，这是一种插入式的智能指针，内部不含有引用计数，需要程序员自己加入引用计数，不然编译不过。个人感觉这个智能指针没太大用处，至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码哦。

自己动手的一个带引用计数的智能指针：

#include <iostream>
using namespace std;
int const MEM_ALLOC = 100;
class HeapTable
{
public:
	HeapTable()
	{
		mhead = new Node;
	}
	void AddRef(void *ptr)
	{
		Node *p = mhead->mpnext;
		while (p!=NULL)
		{
			if(p->mheapaddr == ptr)
			{
				p->counter++;
				return;
			}
			p = p->mpnext;
		}
		p = new Node(ptr);
		p->mpnext = mhead->mpnext;
		mhead->mpnext = p;
	}
	void DelRef(void *ptr)
	{
		Node *p = mhead->mpnext;
		while (p!=NULL)
		{
			if(p->mheapaddr == ptr)
			{
				p->counter--;
				return;
			}
			p = p->mpnext;
		}
	}
	int GetRef(void *ptr)
	{
		Node *p = mhead->mpnext;
		while (p!=NULL)
		{
			if(p->mheapaddr == ptr)
			{
				return p->counter;
			}
			p = p->mpnext;
		}

		return -1;
	}
private:
	class Node
	{
	public:
		Node(void *ptr = NULL):mheapaddr(ptr),counter(0),mpnext(NULL)
		{
			if(mheapaddr != NULL)//有一个新的节点
			{
				counter = 1;
			}
		}
		static void *operator new(size_t size);
		static void operator delete(void *ptr);
		void *mheapaddr;
		int  counter;
		Node *mpnext;
		static Node*mFreeList;
	};
	
	Node *mhead;
};
HeapTable::Node* HeapTable::Node::mFreeList = NULL;
void *HeapTable::Node::operator new(size_t size)
{
    Node *p = NULL;
	if(mFreeList == NULL)
	{
		int allocsize = size*MEM_ALLOC;
		mFreeList = (Node*)new char[allocsize];
		for(p = mFreeList;p<mFreeList+MEM_ALLOC-1;++p)//静态链表
		{
			 p->mpnext = p+1;
		}
		p->mpnext = NULL;
	}

	p = mFreeList;
	mFreeList=mFreeList->mpnext; //从头取结点
	return p;
}

void HeapTable::Node::operator delete(void *ptr)
{
	if(ptr == NULL)
	{
		return ;
	}
	Node *p = (Node*)ptr;
	p->mpnext = mFreeList;
	mFreeList = p;
}
template<typename T>
class CSmartPtr
{
public:
	CSmartPtr(T *ptr = NULL);
	~CSmartPtr();
	CSmartPtr(const CSmartPtr<T> &src);
	CSmartPtr<T>& operator=(const CSmartPtr<T> &src);
	T& operator*(){return *mptr;}
	void AddRef();
	void DelRef();
	int GetRef();
	const T&operator*()const{return *mptr;}
	const T *operator->()const{return mptr;}
private:
	T *mptr;
	static HeapTable mHeapTable;
};
template<typename T>
HeapTable CSmartPtr<T>::mHeapTable;

template<typename T>
CSmartPtr<T>::CSmartPtr(T *ptr = NULL)
{		
	mptr = ptr;
	if(mptr != NULL)
	{
		AddRef();
	}
}

template<typename T>
CSmartPtr<T>::CSmartPtr(const CSmartPtr<T> &src)
{
	mptr = src.mptr;
	if(mptr!= NULL)
	{
		AddRef();
	}
}

template<typename T>
CSmartPtr<T>& CSmartPtr<T>::operator= (const CSmartPtr<T> &src)
{
	if(this == &src)
	{
		return *this;
	}
	DelRef();//减去引用计数
	if(GetRef() == 0)
	{
		delete mptr;
		mptr = NULL;
	}
	AddRef();
	mptr = src.mptr;

	return *this;
}

template<typename T>
CSmartPtr<T>::~CSmartPtr()
{
	DelRef();
	if(GetRef() == 0)
	{
		delete mptr;
	}
}
template<typename T>
void CSmartPtr<T>::AddRef()
{
	mHeapTable.AddRef(mptr);
}
template<typename T>
void CSmartPtr<T>::DelRef()
{
	mHeapTable.DelRef(mptr);
}
template <typename T>
int CSmartPtr<T>::GetRef()
{
	return mHeapTable.GetRef(mptr);
}

class Text
{
public:
	Text(){cout<<"construction call!"<<endl;}
	~Text(){cout<<"destruction call !"<<endl;}
private:
	int ma;
	int mb;
};
class CHello
{
public:
	CHello(){cout<<"construction call! hello "<<endl;}
	~CHello(){cout<<"destruction call!  byebye"<<endl;}
private:
	int ma;
	int mb;
};
int main ()
{
	CSmartPtr<Text> mptr(new Text);
	CSmartPtr<Text> mptr2;
	mptr2 = mptr;
	CSmartPtr<CHello> mptr1(new CHello);
	return 0;
}

总结

如上讲了这么多智能指针，有必要对这些智能指针做个总结：

1、在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想，而且极容易出错[2]。

2、在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr（当然动态数组使用 boost::scoped_array）。

3、在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr（当然动态数组使用 boost::shared_array）。

4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下，使用 boost::weak_ptr，一般常用于软件框架设计中。

5、最后一点，也是要求最苛刻一点：在你的代码中，不要出现 delete 关键字（或 C 语言的 free 函数），因为可以用智能指针去管理。