C++11新特性：25~27—— C++11 shared_ptr/unique_ptr/weak_ptr 智能指针

Posted 2023-01-17 贺二公子

原文地址：
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在实际的 C++ 开发中，我们经常会遇到诸如程序运行中突然崩溃、程序运行所用内存越来越多最终不得不重启等问题，这些问题往往都是内存资源管理不当造成的。比如：

• 有些内存资源已经被释放，但指向它的指针并没有改变指向（成为了野指针），并且后续还在使用；
• 有些内存资源已经被释放，后期又试图再释放一次（重复释放同一块内存会导致程序运行崩溃）；
• 没有及时释放不再使用的内存资源，造成内存泄漏，程序占用的内存资源越来越多。

针对以上这些情况，很多程序员认为 C++ 语言应该提供更友好的内存管理机制，这样就可以将精力集中于开发项目的各个功能上。

事实上，显示内存管理的替代方案很早就有了，早在 1959 年前后，就有人提出了“垃圾自动回收”机制。所谓垃圾，指的是那些不再使用或者没有任何指针指向的内存空间，而“回收”则指的是将这些“垃圾”收集起来以便再次利用。

如今，垃圾回收机制已经大行其道，得到了诸多编程语言的支持，例如 Java、Python、C#、php 等。而 C++ 虽然从来没有公开得支持过垃圾回收机制，但 C++98/03 标准中，支持使用 auto_ptr 智能指针来实现堆内存的自动回收；C++11 新标准在废弃 auto_ptr 的同时，增添了 unique_ptr、shared_ptr 以及 weak_ptr 这 3 个智能指针来实现堆内存的自动回收。

所谓智能指针，可以从字面上理解为“智能”的指针。具体来讲，智能指针和普通指针的用法是相似的，不同之处在于，智能指针可以在适当时机自动释放分配的内存。也就是说，使用智能指针可以很好地避免“忘记释放内存而导致内存泄漏”问题出现。由此可见，C++ 也逐渐开始支持垃圾回收机制了，尽管目前支持程度还有限。

C++ 智能指针底层是采用引用计数的方式实现的。简单的理解，智能指针在申请堆内存空间的同时，会为其配备一个整形值（初始值为 1），每当有新对象使用此堆内存时，该整形值 +1；反之，每当使用此堆内存的对象被释放时，该整形值减 1。当堆空间对应整形值为 0 时，即表明不再有对象使用它，该堆空间就会被释放掉。

接下来，我们将分别对 shared_ptr、unique_ptr 以及 weak_ptr 这 3 个智能指针的特性和用法做详细的讲解，本节先介绍 shared_ptr 智能指针。

C++11 shared_ptr智能指针

实际上，每种智能指针都是以类模板的方式实现的，shared_ptr 也不例外。shared_ptr<T>（其中 T 表示指针指向的具体数据类型）的定义位于<memory>头文件，并位于 std 命名空间中，因此在使用该类型指针时，程序中应包含如下 2 行代码：

#include <memory>
using namespace std;

注意，第 2 行代码并不是必须的，也可以不添加，则后续在使用 shared_ptr 智能指针时，就需要明确指明std::。

值得一提的是，和 unique_ptr、weak_ptr 不同之处在于，多个 shared_ptr 智能指针可以共同使用同一块堆内存。并且，由于该类型智能指针在实现上采用的是引用计数机制，即便有一个 shared_ptr 指针放弃了堆内存的“使用权”（引用计数减 1），也不会影响其他指向同一堆内存的 shared_ptr 指针（只有引用计数为 0 时，堆内存才会被自动释放）。

1、shared_ptr智能指针的创建

shared_ptr 类模板中，提供了多种实用的构造函数，这里给读者列举了几个常用的构造函数（以构建指向 int 类型数据的智能指针为例）。

1) 通过如下 2 种方式，可以构造出 shared_ptr<T> 类型的空智能指针：

std::shared_ptr<int> p1;             //不传入任何实参
std::shared_ptr<int> p2(nullptr);    //传入空指针 nullptr

注意，空的 shared_ptr 指针，其初始引用计数为 0，而不是 1。

2) 在构建 shared_ptr 智能指针，也可以明确其指向。例如：

std::shared_ptr<int> p3(new int(10));

由此，我们就成功构建了一个 shared_ptr 智能指针，其指向一块存有 10 这个 int 类型数据的堆内存空间。

同时，C++11 标准中还提供了 std::make_shared<T> 模板函数，其可以用于初始化 shared_ptr 智能指针，例如：

std::shared_ptr<int> p3 = std::make_shared<int>(10);

以上 2 种方式创建的 p3 是完全相同。

3) 除此之外，shared_ptr 模板还提供有相应的拷贝构造函数和移动构造函数，例如：

//调用拷贝构造函数
std::shared_ptr<int> p4(p3);//或者 std::shared_ptr<int> p4 = p3;
//调用移动构造函数
std::shared_ptr<int> p5(std::move(p4)); //或者 std::shared_ptr<int> p5 = std::move(p4);

有关拷贝构造函数，读者可阅读《C++拷贝构造函数》一节做系统了解；有关移动构造函数，读者可阅读《C++移动构造函数》做详细了解；有关 move() 函数的功能和用法，读者可阅读《C++11 move()》一节。

如上所示，p3 和 p4 都是 shared_ptr 类型的智能指针，因此可以用 p3 来初始化 p4，由于 p3 是左值，因此会调用拷贝构造函数。需要注意的是，如果 p3 为空智能指针，则 p4 也为空智能指针，其引用计数初始值为 0；反之，则表明 p4 和 p3 指向同一块堆内存，同时该堆空间的引用计数会加 1。

而对于 std::move(p4) 来说，该函数会强制将 p4 转换成对应的右值，因此初始化 p5 调用的是移动构造函数。另外和调用拷贝构造函数不同，用 std::move(p4) 初始化 p5，会使得 p5 拥有了 p4 的堆内存，而 p4 则变成了空智能指针。

注意，同一普通指针不能同时为多个 shared_ptr 对象赋值，否则会导致程序发生异常。例如：

int* ptr = new int;
std::shared_ptr<int> p1(ptr);
std::shared_ptr<int> p2(ptr);//错误

4) 在初始化 shared_ptr 智能指针时，还可以自定义所指堆内存的释放规则，这样当堆内存的引用计数为 0 时，会优先调用我们自定义的释放规则。

在某些场景中，自定义释放规则是很有必要的。比如，对于申请的动态数组来说，shared_ptr 指针默认的释放规则是不支持释放数组的，只能自定义对应的释放规则，才能正确地释放申请的堆内存。

对于申请的动态数组，释放规则可以使用 C++11 标准中提供的 default_delete<T> 模板类，我们也可以自定义释放规则：

//指定 default_delete 作为释放规则
std::shared_ptr<int> p6(new int[10], std::default_delete<int[]>());
//自定义释放规则
void deleteInt(int*p) 
    delete []p;

//初始化智能指针，并自定义释放规则
std::shared_ptr<int> p7(new int[10], deleteInt);

实际上借助 lambda 表达式，我们还可以像如下这样初始化 p7，它们是完全相同的：

std::shared_ptr<int> p7(new int[10], [](int* p) delete[]p; );

shared_ptr<T> 模板类还提供有其它一些初始化智能指针的方法，感兴趣的读者可前往讲解 shared_ptr 的官网做系统了解。

2、shared_ptr模板类提供的成员方法

为了方便用户使用 shared_ptr 智能指针，shared_ptr 模板类还提供有一些实用的成员方法，它们各自的功能如表 1 所示。

表 1 shared_ptr模板类常用成员方法

成员方法名	功 能
operator=()	重载赋值号，使得同一类型的 shared_ptr 智能指针可以相互赋值。
operator*()	重载 * 号，获取当前 shared_ptr 智能指针对象指向的数据。
operator->()	重载 -> 号，当智能指针指向的数据类型为自定义的结构体时，通过 -> 运算符可以获取其内部的指定成员。
swap()	交换 2 个相同类型 shared_ptr 智能指针的内容。
reset()	当函数没有实参时，该函数会使当前 shared_ptr 所指堆内存的引用计数减 1，同时将当前对象重置为一个空指针；当为函数传递一个新申请的堆内存时，则调用该函数的 shared_ptr 对象会获得该存储空间的所有权，并且引用计数的初始值为 1。
get()	获得 shared_ptr 对象内部包含的普通指针。
use_count()	返回同当前 shared_ptr 对象（包括它）指向相同的所有 shared_ptr 对象的数量。
unique()	判断当前 shared_ptr 对象指向的堆内存，是否不再有其它 shared_ptr 对象再指向它。
operator bool()	判断当前 shared_ptr 对象是否为空智能指针，如果是空指针，返回 false；反之，返回 true。

除此之外，C++11 标准还支持同一类型的 shared_ptr 对象，或者 shared_ptr 和 nullptr 之间，进行 ==，!=，<，<=，>，>= 运算。

下面程序给大家演示了 shared_ptr 智能指针的基本用法，以及该模板类提供了一些成员方法的用法：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()

    //构建 2 个智能指针
    std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
    std::shared_ptr<int> p2(p1);
    //输出 p2 指向的数据
    cout << *p2 << endl;
    p1.reset();//引用计数减 1,p1为空指针
    if (p1) 
        cout << "p1 不为空" << endl;
    
    else 
        cout << "p1 为空" << endl;
    
    //以上操作，并不会影响 p2
    cout << *p2 << endl;
    //判断当前和 p2 同指向的智能指针有多少个
    cout << p2.use_count() << endl;
    return 0;

程序执行结果为：

10
p1 为空
10
1

C++11 unique_ptr智能指针

作为智能指针的一种，unique_ptr 指针自然也具备“在适当时机自动释放堆内存空间”的能力。和 shared_ptr 指针最大的不同之处在于，unique_ptr 指针指向的堆内存无法同其它 unique_ptr 共享，也就是说，每个 unique_ptr 指针都独自拥有对其所指堆内存空间的所有权。

这也就意味着，每个 unique_ptr 指针指向的堆内存空间的引用计数，都只能为 1，一旦该 unique_ptr 指针放弃对所指堆内存空间的所有权，则该空间会被立即释放回收。

unique_ptr 智能指针是以模板类的形式提供的，unique_ptr<T>（T 为指针所指数据的类型）定义在<memory>头文件，并位于 std 命名空间中。因此，要想使用 unique_ptr 类型指针，程序中应首先包含如下 2 条语句：

#include <memory>
using namespace std;

第 2 句并不是必须的，可以不添加，则后续在使用 unique_ptr 指针时，必须标注std::。

unique_ptr智能指针的创建

考虑到不同实际场景的需要，unique_ptr<T> 模板类提供了多个实用的构造函数，这里给读者列举了几种常用的构造 unique_ptr 智能指针的方式。

1) 通过以下 2 种方式，可以创建出空的 unique_ptr 指针：

std::unique_ptr<int> p1();
std::unique_ptr<int> p2(nullptr);

2) 创建 unique_ptr 指针的同时，也可以明确其指向。例如：

std::unique_ptr<int> p3(new int);

由此就创建出了一个 p3 智能指针，其指向的是可容纳 1 个整数的堆存储空间。

和可以用 make_shared<T>() 模板函数初始化 shared_ptr 指针不同，C++11 标准中并没有为 unique_ptr 类型指针添加类似的模板函数。

3) 基于 unique_ptr 类型指针不共享各自拥有的堆内存，因此 C++11 标准中的 unique_ptr 模板类没有提供拷贝构造函数，只提供了移动构造函数。例如：

std::unique_ptr<int> p4(new int);
std::unique_ptr<int> p5(p4);//错误，堆内存不共享
std::unique_ptr<int> p5(std::move(p4));//正确，调用移动构造函数

值得一提的是，对于调用移动构造函数的 p4 和 p5 来说，p5 将获取 p4 所指堆空间的所有权，而 p4 将变成空指针（nullptr）。

4) 默认情况下，unique_ptr 指针采用 std::default_delete<T> 方法释放堆内存。当然，我们也可以自定义符合实际场景的释放规则。值得一提的是，和 shared_ptr 指针不同，为 unique_ptr 自定义释放规则，只能采用函数对象的方式。例如：

//自定义的释放规则
struct myDel

    void operator()(int *p) 
        delete p;
    
;
std::unique_ptr<int, myDel> p6(new int);
//std::unique_ptr<int, myDel> p6(new int, myDel());

unique_ptr模板类提供的成员方法

为了方便用户使用 unique_ptr 智能指针，unique_ptr 模板类还提供有一些实用的成员方法，它们各自的功能如表 1 所示。

表 1 unique_ptr指针可调用的成员函数

成员函数名	功 能
operator*()	获取当前 unique_ptr 指针指向的数据。
operator->()	重载 -> 号，当智能指针指向的数据类型为自定义的结构体时，通过 -> 运算符可以获取其内部的指定成员。
operator =()	重载了 = 赋值号，从而可以将 nullptr 或者一个右值 unique_ptr 指针直接赋值给当前同类型的 unique_ptr 指针。
operator	重载了 [] 运算符，当 unique_ptr 指针指向一个数组时，可以直接通过 [] 获取指定下标位置处的数据。
get()	获取当前 unique_ptr 指针内部包含的普通指针。
get_deleter()	获取当前 unique_ptr 指针释放堆内存空间所用的规则。
operator bool()	unique_ptr 指针可直接作为 if 语句的判断条件，以判断该指针是否为空，如果为空，则为 false；反之为 true。
release()	释放当前 unique_ptr 指针对所指堆内存的所有权，但该存储空间并不会被销毁。
reset§	其中 p 表示一个普通指针，如果 p 为 nullptr，则当前 unique_ptr 也变成空指针；反之，则该函数会释放当前 unique_ptr 指针指向的堆内存（如果有），然后获取 p 所指堆内存的所有权（p 为 nullptr）。
swap(x)	交换当前 unique_ptr 指针和同类型的 x 指针。

除此之外，C++11标准还支持同类型的 unique_ptr 指针之间，以及 unique_ptr 和 nullptr 之间，做 ==，!=，<，<=，>，>= 运算。

下面程序给大家演示了 unique_ptr 智能指针的基本用法，以及该模板类提供了一些成员方法的用法：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main()

    std::unique_ptr<int> p5(new int);
    *p5 = 10;
    // p 接收 p5 释放的堆内存
    int * p = p5.release();
    cout << *p << endl;
    //判断 p5 是否为空指针
    if (p5) 
        cout << "p5 is not nullptr" << endl;
    
    else 
        cout << "p5 is nullptr" << endl;
    

    std::unique_ptr<int> p6;
    //p6 获取 p 的所有权
    p6.reset(p);
    cout << *p6 << endl;;
    return 0;

程序执行结果为：

10
p5 is nullptr
10

C++11 weak_ptr智能指针

和 shared_ptr、unique_ptr 类型指针一样，weak_ptr 智能指针也是以模板类的方式实现的。weak_ptr<T>（ T 为指针所指数据的类型）定义在<memory>头文件，并位于 std 命名空间中。因此，要想使用 weak_ptr 类型指针，程序中应首先包含如下 2 条语句：

#include <memory>
using namespace std;

第 2 句并不是必须的，可以不添加，则后续在使用 unique_ptr 指针时，必须标注std::。

需要注意的是，C++11标准虽然将 weak_ptr 定位为智能指针的一种，但该类型指针通常不单独使用（没有实际用处），只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用。甚至于，我们可以将 weak_ptr 类型指针视为 shared_ptr 指针的一种辅助工具，借助 weak_ptr 类型指针， 我们可以获取 shared_ptr 指针的一些状态信息，比如有多少指向相同的 shared_ptr 指针、shared_ptr 指针指向的堆内存是否已经被释放等等。

需要注意的是，当 weak_ptr 类型指针的指向和某一 shared_ptr 指针相同时，weak_ptr 指针并不会使所指堆内存的引用计数加 1；同样，当 weak_ptr 指针被释放时，之前所指堆内存的引用计数也不会因此而减 1。也就是说，weak_ptr 类型指针并不会影响所指堆内存空间的引用计数。

除此之外，weak_ptr<T> 模板类中没有重载 * 和 -> 运算符，这也就意味着，weak_ptr 类型指针只能访问所指的堆内存，而无法修改它。

1、weak_ptr指针的创建

创建一个 weak_ptr 指针，有以下 3 种方式：
1) 可以创建一个空 weak_ptr 指针，例如：

std::weak_ptr<int> wp1;

2) 凭借已有的 weak_ptr 指针，可以创建一个新的 weak_ptr 指针，例如：

std::weak_ptr<int> wp2 (wp1);

若 wp1 为空指针，则 wp2 也为空指针；反之，如果 wp1 指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，则 wp2 也指向该块存储空间（可以访问，但无所有权）。

3) weak_ptr 指针更常用于指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，因为在构建 weak_ptr 指针对象时，可以利用已有的 shared_ptr 指针为其初始化。例如：

std::shared_ptr<int> sp (new int);
std::weak_ptr<int> wp3 (sp);

由此，wp3 指针和 sp 指针有相同的指针。再次强调，weak_ptr 类型指针不会导致堆内存空间的引用计数增加或减少。

2、 weak_ptr模板类提供的成员方法

和 shared_ptr<T>、unique_ptr<T> 相比，weak_ptr<T> 模板类提供的成员方法不多，表 1 罗列了常用的成员方法及各自的功能。

表 1 weak_ptr指针可调用的成员方法

成员方法	功 能
operator=()	重载 = 赋值运算符，是的 weak_ptr 指针可以直接被 weak_ptr 或者 shared_ptr 类型指针赋值。
swap(x)	其中 x 表示一个同类型的 weak_ptr 类型指针，该函数可以互换 2 个同类型 weak_ptr 指针的内容。
reset()	将当前 weak_ptr 指针置为空指针。
use_count()	查看指向和当前 weak_ptr 指针相同的 shared_ptr 指针的数量。
expired()	判断当前 weak_ptr 指针为否过期（指针为空，或者指向的堆内存已经被释放）。
lock()	如果当前 weak_ptr 已经过期，则该函数会返回一个空的 shared_ptr 指针；反之，该函数返回一个和当前 weak_ptr 指向相同的 shared_ptr 指针。

再次强调，weak_ptr 模板类没有重载 * 和 -> 运算符，因此 weak_ptr 类型指针只能访问某一 shared_ptr 指针指向的堆内存空间，无法对其进行修改。

下面的样例演示了 weak_ptr 指针以及表 1 中部分成员方法的基本用法：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main()

    std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
    std::shared_ptr<int> sp2(sp1);
    std::weak_ptr<int> wp(sp2);
    //输出和 wp 同指向的 shared_ptr 类型指针的数量
    cout << wp.use_count() << endl;
    //释放 sp2
    sp2.reset();
    cout << wp.use_count() << endl;
    //借助 lock() 函数，返回一个和 wp 同指向的 shared_ptr 类型指针，获取其存储的数据
    cout << *(wp.lock()) << endl;
    return 0;

程序执行结果为：

2
1
10

有关表 1 中其它成员函数的用法，感兴趣的读者可直接查看 weak_ptr 官网。