❥关于C++之智能指针

Posted 2022-03-16 itzyjr

首先，智能指针是模板类。智能指针是行为类似于指针的类对象，但这种对象还有其他功能。

void remodel(std::string& str) 
    std::string* ps = new std::string(str);
    ...
    if (weird_thing)
        throw exception();
    str = *ps;
    delete ps;

当remodel()这样的函数终止（不管是正常终止，还是由于出现了异常而终止），本地变量都将从栈内存中删除——因此指针ps占据的内存将被释放。如果ps指向的内存也被释放，那该有多好啊。如果ps有一个析构函数，该析构函数将在ps过期时释放它指向的内存。因此，ps的问题在于，它只是一个常规指针，不是有析构函数的类对象。如果它是对象，则可以在对象过期时，让它的析构函数删除指向的内存。这正是auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr背后的思想。模板auto_ptr是C++98提供的解决方案，C++11已将其摒弃，并提供了另外两种解决方案。然而，虽然auto_ptr被摒弃，但它已使用了多年；同时，如果你的编译器不支持其他两种解决方案，auto_ptr将是唯一的选择。

这三个智能指针模板（auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr）都定义了类似指针的对象，可以将new获得（直接或间接）的地址赋给这种对象。当智能指针过期时，其析构函数将使用delete来释放内存。因此，如果将new返回的地址赋给这些对象，将无需记住稍后释放这些内存：在智能指针过期时，这些内存将自动被释放。

下图说明了auto_ptr和常规指针在行为方面的差别；share_ptr和unique_ptr的行为与auto_ptr相同。

要创建智能指针对象，必须包含头文件memory，该文件模板定义。然后使用通常的模板语法来实例化所需类型的指针。例如，模板auto_ptr包含如下构造函数：

template<class X> class auto_ptr 
public:
    explicit auto_ptr(X* p = 0) throw();
    ...
;

throw()意味着构造函数不会引发异常；与auto_ptr一样，throw()也被摒弃。因此，请求X类型的auto_ptr将获得一个指向X类型的auto_ptr：

auto_ptr<double> pd(new double);// pd an auto_ptr to double
                                   (use in place of double* pd)
auto_ptr<string> ps(new string);// ps an auto_ptr to string
                                   (use in place of string* ps)

new double是new返回的指针，指向新分配的内存块。它是构造函数auto_ptr<double>的参数，即对应于原型中形参p的实参。同样，new string也是构造函数的实参。其他两种智能指针使用同样的语法：

unique_ptr<double> pdu(new double);// pdu an unique_ptr to double
shared_ptr<string> pss(new string);// pss an shared_ptr to string

因此，要转换前面的remodel()函数，应按下面3个步骤进行：

1.包含头文件<memory>；2.将指向string的指针替换为指向string的智能指针对象；3.删除delete语句。

下面是使用auto_ptr修改该函数的结果：

#include <memory>
void remodel(std::string& str) 
    std::auto_ptr<std::string> ps(new std::string(str));
    ...
    if (weird_thing)
        throw exception();
    str = *ps;

下面程序清单是一个简单的程序，演示了如何使用全部三种智能指针。要编译该程序，编译器必须支持C++11新增的类share_ptr和unique_ptr。每个智能指针都放在一个代码块内，这样离开代码块时，指针将过期。

// smrtptrs.cpp -- using three kinds of smart pointers
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
class Report 
 private:
	std::string str;
 public:
	Report(const std::string s) : str(s) 
		std::cout << "Object created!\\n";
	
	~Report() 
		std::cout << "Object deleted!\\n";
	
	void comment() const 
		std::cout << str << "\\n";
	
;
int main() 
	
		std::auto_ptr<Report> ps(new Report("using auto_ptr"));
		ps->comment();   // use -> to invoke a member function
	
	
		std::shared_ptr<Report> ps(new Report("using shared_ptr"));
		ps->comment();
	
	
		std::unique_ptr<Report> ps(new Report("using unique_ptr"));
		ps->comment();
	
	return 0;

Object created!
using auto_ptr
Object deleted!
Object created!
using shared_ptr
Object deleted!
Object created!
using unique_ptr
Object deleted!

所有智能指针类都有一个explicit构造函数，该构造函数将指针作为参数。因此不能隐式自动将普通指针转换为智能指针对象：

shared_ptr<double> pd;
double* p_reg = new double;
pd = p_reg;// not allowed (implicit conversion)
pd = shared_ptr<double>(p_reg);// allowed (explicit conversion)
shared_ptr<double> pshared = p_reg;// not allowed (implicit conversion)
shared_ptr<double> pshared(p_reg);// allowed (explicit conversion)

由于智能指针模板类的定义方式，智能指针对象的很多方面都类似于常规指针。例如，如果ps是一个智能指针对象，则可以对它执行解除引用操作（* ps）、用它来访问结构成员（ps->puffIndex）、将它赋给指向相同类型的常规指针。还可以将智能指针对象赋给另一个同类型的智能指针对象，但将引起一个问题，之后会讨论到。

在此之前，先说说对全部三种智能指针都应避免的一点：

string vacation("I wandered lonely as a cloud.");
shared_ptr<string> pvac(&vacation);// NO!

pvac过期时，程序将把delete运算符用于非堆内存，这是错误的。

有关智能指针的注意事项：

为何有三种智能指针呢？实际上有4种，但这里不讨论weak_ptr。为何摒弃auto_ptr呢？

先来看下面的赋值语句：

auto_ptr<string> ps(new string("I reigned lonely as a cloud."));
auto_ptr<string> vocation;
vocation = ps;

如果ps和vocation是常规指针，则两个指针将指向同一个string对象。这是不能接受的，因为程序将试图删除同一个对象两次——一次是ps过期时，另一次是vocation过期时。要避免这种问题，方法有多种：

• 定义赋值运算符，使之执行深复制。这样两个指针将指向不同的对象，其中的一个对象是另一个对象的副本。
• 建立所有权（ownership）概念，对于特定的对象，只能有一个智能指针可拥有它，这样只有拥有对象的智能指针的构造函数会删除该对象。然后，让赋值操作转让所有权。这就是用于auto_ptr和unique_ptr的策略，但unique_ptr的策略更严格。
• 创建智能更高的指针，跟踪引用特定对象的智能指针数。这称为引用计数（reference counting）。例如，赋值时，计数将加1，而指针过期时，计数将减1。仅当最后一个指针过期时，才调用delete。这是shared_ptr采用的策略。

当然，同样的策略也适用于复制构造函数。

一个不合适使用auto_ptr的示例：

// fowl.cpp  -- auto_ptr a poor choice
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
int main()

    using namespace std;
    auto_ptr<string> films[5] =
    
        auto_ptr<string> (new string("Fowl Balls")),
        auto_ptr<string> (new string("Duck Walks")),
        auto_ptr<string> (new string("Chicken Runs")),
        auto_ptr<string> (new string("Turkey Errors")),
        auto_ptr<string> (new string("Goose Eggs"))
    ;
    auto_ptr<string> pwin;
    pwin = films[2];   // films[2] loses ownership
    cout << "The nominees for best avian baseball film are\\n";
    for (int i = 0; i < 5; i++)
        cout << *films[i] << endl;
    cout << "The winner is " << *pwin << "!\\n";
    return 0;

pwin = films[2]; 将所有权从films[2]转让给了pwin，这导致films[2]不再引用该字符串。在auto_ptr放弃对象的所有权后，便可能使用它来访问该对象。当程序打印films[2]指向的字符串时，却发现这是一个空指针。

如果在程序清单中使用shared_ptr代替auto_ptr（这要求编译器支持C++11新增的shared_ptr类），则程序将正常运行，正常输出。

差别在于：

shared_ptr<string> pwin;
pwin = films[2];

这次pwin和films[2]指向同一个对象，而引用计数从1增加到2。在程序末尾，后声明的pwin首先调用其析构函数，该析构函数将引用计数降低到1。然后，shared_ptr数组的成员被释放，对filmsp[2]调用析构函数时，将引用计数降低到0，并释放以前分配的空间。

因此使用shared_ptr时，程序清单运行正常；而使用auto_ptr时，该程序在运行阶段崩溃。如果使用unique_ptr，结果将如何呢？与auto_ptr一样，unique_ptr也采用所有权模型。但使用unique_ptr时，程序不会等到运行阶段崩溃，而在编译器因这行代码出现错误：pwin = films[2];

unique_ptr为何优于auto_ptr？

auto_ptr<string> p1(new string("auto"); //#1
auto_ptr<string> p2;                    //#2
p2 = p1;                                //#3

在语句#3中，p2接管string对象的所有权后，p1的所有权将被剥夺。前面说过，这是件好事，可防止p1和p2的析构函数试图删除同一个对象；但如果程序随后试图使用p1，这将是件坏事，因为p1不再指向有效的数据。

下面来看使用unique_ptr的情况：

unique_ptr<string> p3(new string("auto"); //#4
unique_ptr<string> p4;                    //#5
p4 = p3;                                  //#6

编译器认为语句#6非法，避免了p3不再指向有效数据的问题。因此，unique_ptr比auto_ptr更安全（编译阶段错误比潜在的程序崩溃更安全）。

但有时候，将一个智能指针赋给另一个并不会留下危险的悬挂指针。假设有如下函数定义并调用：

unique_ptr<string> demo(const char* s) 
    unique_ptr<string> temp(new string(s));
    return temp;

假设编写了如下代码：
unique_ptr<string> ps;
ps = demo("Uniquely special");

demo()返回一个临时unique_ptr，然后ps接管了原本归返回的unique_ptr所有的对象，而返回的unique_ptr被销毁。这没有问题，因为ps拥有了string对象的所有权。但这里的另一个好处是，demo()返回的临时unique_ptr很快被销毁，没有机会使用它来访问无效的数据。换句话说，没有理由禁止这种赋值。神奇的是，编译器确实允许这种赋值！

总之，程序试图将一个unique_ptr赋给另一个时，如果源unique_ptr是个临时右值，编译器允许这样做；如果源unique_ptr将存在一段时间，编译器将禁止这样做：

using namespace std;
unique_ptr<string> pu1(new string "Hi ho!");
unique_ptr<string> pu2;
pu2 = pu1;                                 // #1 not allowed
unique_ptr<string> pu3;
pu3 = unique_ptr<string>(new string "Yo!");// #2 allowed

语句#1将留下悬挂的unique_ptr(pu1)，这可能导致危害。语句#2不会留下悬挂的unique_ptr，因为它调用unique_ptr的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权转让给pu后就会被销毁。这种随情况而异的行为表明，unique_ptr优于允许两种赋值的auto_ptr。这也是禁止（只是一种建议，编译器并不禁止）在容器对象中使用auto_ptr，但允许使用unique_ptr的原因。如果容器算法试图对包含unique_ptr的容器执行类似于语句#1的操作，将导致编译错误；如果算法试图执行类似于语句#2的操作，则不会有任何问题。而对于auto_ptr，类似于语句#1的操作可能导致不确定的行为和神秘的崩溃。

当然，你可能确实想执行类似于语句#1的操作。仅当以非智能的方式使用遗弃的智能指针（如解除引用时），这种赋值才不安全。要安全地重用这种指针，可给它赋新值。C++有一个标准库函数std::move()，让你能够将一个unique_ptr赋给另一个。下面是一个使用前述demo()函数的例子，该函数返回一个unique_ptr<string>对象：

using namespace std;
unique_ptr<string> ps1, ps2;
ps1 = demo("Uniquely special");
ps2 = move(ps1);
ps1 = demo(" and more");
cout << *ps2 << *ps1 << endl;

你可能会问，unique_ptr如何能够区分安全和不安全的用法呢？答案是它使用了C++11新增的移动构造函数和右值引用。

关于移动构造函数和右值引用，>>>详见我的Blog：cpp►C++11右值引用、移动语义、移动构造函数、移动赋值运算符）

相比于auto_ptr，unique_ptr还有另一个优点。它有一个可用于数组的变体。别忘了，必须将delete和new配对，将delete []和new []配对。模板auto_ptr使用delete而不是delete [ ]，因此只能与new一起使用，而不能与new []一起使用。但unique_ptr有使用new []和delete []的版本：

std::unique_ptr<double[]> pad(new double[5]));// will use delete[]

警告：使用new分配内存时，才能使用auto_ptr和shared_ptr，使用new []分配内存时，不能使用它们。不使用new分配内存时，不能使用auto_ptr或shared_ptr；不使用new或new []分配内存时，不能使用unique_ptr。

智能指针的选择：

应使用哪种智能指针呢？如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，应选择shared_ptr。这样的情况包括：有一个指针数组，并使用一些辅助指针来标识特定的元素，如最大的元素和最小的元素；两个对象包含都指向第三个对象的指针；STL容器包含指针。很多STL算法都支持复制和赋值操作，这些操作可用于shared_ptr，但不能用于unique_ptr（编译器发出警告）和auto_ptr（行为不确定）。如果你的编译器没有提供shared_ptr，可使用Boost库提供的shared_ptr。

如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可使用unique_ptr。如果函数使用new分配内存，并返回指向该内存的指针，将其返回类型声明为unique_ptr是不错的选择。这样，所有权将转让给接受返回值的unique_ptr，而该智能指针将负责调用delete。可将unique_ptr存储到STL容器中，只要不调用将一个unique_ptr复制或赋给另一个的方法或算法（如sort()）。例如，可在程序中使用类似于下面的代码段，这里假设程序包含正确的include和using语句：

unique_ptr<int> make_int(int n) 
    return unique_ptr<int>(new int(n));

void show(unique_ptr<int>& pi) 
    cout << *a << ' ';

int main() 
    ...
    vector<unique_ptr<int>> vp(size);
    for (int i = 0; i < vp.size(); i++)
        vp[i] = make_int(rand() % 1000);// copy temporary unique_ptr
    vp.push_back(make_int(rand() % 1000));// ok because arg is temporary
    for_each(vp.begin(), vp.end(), show);// use for_each()'
    ...

其中的push_back()调用没有问题，因为它返回一个临时unique_ptr，该unique_ptr被赋给vp中的一个unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用给show()传递对象，for_each()语句将非法，因为这将导致使用一个来自vp的非临时unique_ptr初始化pi，而这是不允许的。前面说过，编译器将发现错误使用unique_ptr的企图。

在unique_ptr为右值时，可将其赋给shared_ptr，这与将一个unique_ptr赋给另一个需要满足的条件相同。与前面一样，在下面的代码中，make_int()的返回类型为unique_ptr<int>：

unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000);//#1 ok
shared_ptr<int> spp(pup);                   //#2 not allowed
shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000);//#3 ok

#2：No matching constructor for initialization of 'shared_ptr<int>'

以下是shared_ptr所有的构造函数：

模板shared_ptr包含一个显式构造函数，可用于将右值unique_ptr转换为shared_ptr。shared_ptr将接管原来归unique_ptr所有的对象。

在满足unique_ptr要求的条件时，也可使用auto_ptr，但unique_ptr是更好的选择。如果你的编译器没有提供unique_ptr，可考虑使用BOOST库提供的scoped_ptr，它与unique_ptr类似。