C++2.0 新特性—智能指针

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C++2.0 新特性—智能指针

不知道多少人诟病C++传统指针使用时带来的内存管理，以及对内存对象拥有者不清晰的问题。如下面的代码:

int * fn(){

int * p = new int(0);

return p;

}

对于fn的调用者会感到困惑，我得到了一个指针，我应不应该释放其指向的内存空间呢？如果我不释放，会不会内存泄漏呢？如果我释放，万一它还有其它拥有者呢？原则上，应该是谁申请，谁释放，但是现实项目中往往不是总能做到。为此，智能指针被提出。智能指针通过引用计数的方式来管理内存，让使用者不再操心内存释放问题，一旦引用计数减为0，智能指针就会自动释放内存。

智能指针的不是从C++11开始的，早前c++98版本中就提供了auto_ptr智能指针，boost库也提供了，诸如scoped_ptr, shared_ptr, intrusive_ptr, weak_ptr等智能指针。到了c++11标准，则采用unique_ptr 替代了auto_ptr，同时引入了shared_ptr 和 weak_ptr(实际上C++ TR1就有了shared_ptr 和 weak_ptr，直到c++11才正式纳入标准)。下面我们来介绍一下从C++11标准开始引入的智能指针。

1. unique_ptr

之所以使用unique_ptr来替代auto_ptr是因为auto_ptr使用不当可能会带来意想不到的结果。看下面的例子：

auto_ptr<int> p1(new int(0));

auto_ptr<int> p2 = p1; /*该语句执行完成后，p1将不再拥有其原来执行的内存区域。这个看似copy赋值，实际做的却是移动赋值操作，这会导致不期望的结果和bug。并且在c++标准容器中无法存储auto_ptr*/

因此c++11之后开始采用unique_ptr来替代auto_ptr。从名字上也能看出unique_ptr的特性。如下面的语句将会在编译时报错：

unique_ptr<int> p1(new int(0));

unique_ptr<int> p2 = p1; //编译时报错，因为unique_ptr不支持copy赋值构造。

unique_ptr无法复制给另外一个unique_ptr，也不能以传值的方式作为函数参数，也不可以使用在需要复制操作的c++标准算法库中的某些算法。下图展示了auto_ptr的用法。

(注: C++14之后可以使用make_unique 来创建一个unique_ptr,这种方式在下图中未展示。参考这里的代码:

auto p1 = make_unique<int>(100);// 创建unique_ptr初始化其指向内存存储的值为100

auto p2 = make_unique<int[]>(5);// 创建unique_ptr拥有5个元素的数组，在此无法初始化

for (int i = 0; i < 5; i++) { // 初始化p2的元素

p2[i] = i;

}

)

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运行上图所示代码输出如下图：

1. shared_ptr

有了unique_ptr，我们很自然就会想到shared_ptr。C++11之后引入了shared_ptr来处理内存中一个对象有多个拥有者管理其生命周期的情况。shared_ptr支持复制，参数传值，和赋值操作。它通过内部引用计数来管理内存对象的生命周期，和unique_ptr一样，shared_ptr也可以看做一个管理着原始指针的容器。shared_ptr内部维护着一个引用计数，当该计数减为0时，shared_ptr就会删除其管理的原始指针指向的内存区。下图展示了shared_ptr的用法。下图中调用的shared_ptr的use_count函数可以得到其引用计数的值。

shared_ptr不仅能管理对象，它也可以管理函数。比如下图所示的例子：

运行上图代码会输出Hello.如下图所示。

注意：使用一个shared_ptr拥有原始指针来构造另一个shared_ptr会导致未定义的行为。因此应该避免如下用法:

上述代码运行可以得到：

。所以，这是非常危险的，如果上图中sp1和sp2其中一个引用计数减为0，那么它就会释放管理的对象内存，而另一个shared_ptr还在管理一个已经被释放的对象，这将导致异常。

1. weak_ptr

weak_ptr都是和shared_ptr配合使用，在使用weak_ptr时需要将它转成shared_ptr。weak_ptr的存在是用来解决某些情况下我们需要拥有一个对象，但是其引用计数却不能增加。比如shared_ptr的循环引用。下图中的例子说明了这种情况。

运行上图中的代码可以得到:

上图的例子说明发生了循环引用。这会导致spa和spb生命周期相互依赖而无法打破(类似死锁),因而spa和spb会驻留内存，造成内存泄漏。解决这个问题就是使用weak_ptr。下图展示了我们如何使用weak_ptr来解决上面的问题。

运行上图的代码可以得到:

从运行结果可以看到循环引用被打破了。那么我们如果要使用weak_ptr操作管理的对象该怎么办呢？假设上例中的spa的引用计数减为0了，然后spa就将管理的对象释放了。那么这时class B中的成员weak_ptr m_sp所拥有的对象也就被释放了。weak_ptr 提供了expired()函数, 该函数返回一个bool值可以判断weak_ptr所拥有的对象是否已经释放（过期了）。使用weak_ptr时需要用lock()函数将其转成shared_ptr来使用，如下图所示代码展示：

本文介绍了C++2.0智能指针的基本概念和使用方法，希望对大家有所帮助。