C++ 11 创建和使用 shared_ptr

Posted 2020-08-01 dsw846

shared_ptr 的类型是C + +标准库中一个聪明的指针，是为多个拥有者管理内存中对象的生命周期而设计的。在你初始化一个 shared_ptr 后，你可以复制它，把函数参数的值递给它，并把它分配给其它 shared_ptr 实例。所有实例指向同一个对象，并共享访问一个“控制块”，即每当一个新的shared_ptr 被添加时，递增和递减引用计数，超出范围，则复位。当引用计数到达零时，控制块删除内存资源和自身。

下图显示了指向一个内存位置的几个 shared_ptr 实例。

无论什么时候，当内存资源被第一次被创建时，就使用函数 make_shared (<memory>) 创建一个新的 shared_ptr。 make_shared异常安全。它使用同一调用分配的内存控制块和资源从而减少构造开销。如果你不使用 make_shared，那么在把它传递给 shared_ptr 的构造函数之前，你必须使用一个明确的新表达式创建的对象。下面的例子显示了在新对象中声明和初始化一个 shared_ptr 的各种方式。

class Song
{
public:
    Song(std::string str1, std::string str2);
    ~Song();
private:
    std::string name;
    std::string action;
};

// Use make_shared function when possible.
auto sp1 = make_shared<Song>(L"The Beatles", L"Im Happy Just to Dance With You");

// Ok, but slightly less efficient. 
// Note: Using new expression as constructor argument
// creates no named variable for other code to access.
shared_ptr<Song> sp2(new Song(L"Lady Gaga", L"Just Dance"));

// When initialization must be separate from declaration, e.g. class members, 
// initialize with nullptr to make your programming intent explicit.
shared_ptr<Song> sp5(nullptr);
//Equivalent to: shared_ptr<Song> sp5;
//...
sp5 = make_shared<Song>(L"Elton John", L"I‘m Still Standing");

下面的示例演示如何声明和初始化一个已经被分配了另一个 shared_ptr 的对象共享所有权的 shared_ptr 的实例。假设 sp2 是一个初始化的shared_ptr。

//Initialize with copy constructor. Increments ref count.
auto sp3(sp2);

//Initialize via assignment. Increments ref count.
auto sp4 = sp2;

//Initialize with nullptr. sp7 is empty.
shared_ptr<Song> sp7(nullptr);　　　　　　//此指针有指向类型，但是指向nullptr

// Initialize with another shared_ptr. sp1 and sp2
// swap pointers as well as ref counts.
sp1.swap(sp2);

当您使用算法复制元素时，shared_ptr 的也是很有用的标准模板库（STL）。你可以把元素包装在 shared_ptr 里，然后将其复制到其他容器，只要你需要它，底层的内存始终是有效的。以下示例演示如何使用 replace_copy_if 算法来创建一个 shared_ptr 的实例以及如何在一个向量上进行使用。

vector<shared_ptr<Song>> v;

v.push_back(make_shared<Song>(L"Bob Dylan", L"The Times They Are A Changing"));
v.push_back(make_shared<Song>(L"Aretha Franklin", L"Bridge Over Troubled Water"));
v.push_back(make_shared<Song>(L"Thalxa", L"Entre El Mar y Una Estrella"));

vector<shared_ptr<Song>> v2;
remove_copy_if(v.begin(), v.end(), back_inserter(v2), [] (shared_ptr<Song> s) 
{
    return s->artist.compare(L"Bob Dylan") == 0;        
});

for (const auto& s : v2)
{
    wcout << s->artist << L":" << s->title << endl;
}

你可以用 dynamic_pointer_cast， static_pointer_cast 和 const_pointer_cast 来转换shared_ptr。这些函数的操作类似 dynamic_cast，static_cast 和 const_cast。下面的示例演示如何测试在基类的 shared_ptr 向量中的每个元素的派生类，，然后复制元素，并显示它们的信息。

vector<shared_ptr<MediaAsset>> assets;

assets.push_back(shared_ptr<Song>(new Song(L"Himesh Reshammiya", L"Tera Surroor")));
assets.push_back(shared_ptr<Song>(new Song(L"Penaz Masani", L"Tu Dil De De")));
assets.push_back(shared_ptr<Photo>(new Photo(L"2011-04-06", L"Redmond, WA", L"Soccer field at Microsoft.")));

vector<shared_ptr<MediaAsset>> photos;

copy_if(assets.begin(), assets.end(), back_inserter(photos), [] (shared_ptr<MediaAsset> p) -> bool
{
    // Use dynamic_pointer_cast to test whether
    // element is a shared_ptr<Photo>.
    shared_ptr<Photo> temp = dynamic_pointer_cast<Photo>(p);        
    return temp.get() != nullptr;
});

for (const auto&  p : photos)
{
    // We know that the photos vector contains only 
    // shared_ptr<Photo> objects, so use static_cast.
    wcout << "Photo location: " << (static_pointer_cast<Photo>(p))->location_ << endl;
}

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。

 

下面的示例显示 shared_ptr 如何重载多种比较操作符，以使由 shared_ptr 实例所拥有的内存指针的比较。

// Initialize two separate raw pointers.
// Note that they contain the same values.
auto song1 = new Song(L"Village People", L"YMCA");
auto song2 = new Song(L"Village People", L"YMCA");

// Create two unrelated shared_ptrs.
shared_ptr<Song> p1(song1);    
shared_ptr<Song> p2(song2);

// Unrelated shared_ptrs are never equal.
wcout << "p1 < p2 = " << std::boolalpha << (p1 < p2) << endl;
wcout << "p1 == p2 = " << std::boolalpha <<(p1 == p2) << endl;

// Related shared_ptr instances are always equal.
shared_ptr<Song> p3(p2);
wcout << "p3 == p2 = " << std::boolalpha << (p3 == p2) << endl; 

举例：

{
        //创建的空指针，有指针类型，但是没有指向对象
        std::shared_ptr<int> fPtr1;

        std::shared_ptr<int> fPtr2 = std::make_shared<int>(4);
        std::cout << "fPtr2 use_count:" << fPtr2.use_count() << std::endl;
        std::shared_ptr<int> fPtr3(fPtr2);
        std::cout << "fPtr2 use_count:" << fPtr2.use_count() << " fPtr3 use_count:" << fPtr3.use_count() << std::endl;
        std::shared_ptr<int> fPtr4 = std::make_shared<int>(10);
        //shared_ptr指针对象赋值可直接用=
        std::shared_ptr<int> fPtr5 = fPtr2;
        std::cout << "fPtr2 use_count:" << fPtr2.use_count() << " fPtr3 use_count:" << fPtr3.use_count() << std::endl;
        
        std::cout << "-------------------------------------------" << std::endl;
        //get() 返回指向对象的指针
        std::cout << "fPtr2 address:" << fPtr2.get() << " = fPtr3 address:" << fPtr3.get() << std::endl;
        //use_count 返回指针指向的对象的引用计数
        std::cout << "fPtr2 use_count:" << fPtr2.use_count() << " fPtr3 use_count:" << fPtr3.use_count() << std::endl;

        if (!fPtr1)
        {
            std::cout << "fPtr is nullptr" << std::endl;
        }

        std::cout << "-------------------------------------------" << std::endl;
        //swap 将还两个shared_ptr所指向的对象
        std::cout << "swap before fPtr2 = " << *fPtr2 << " fPtr4 = " << *fPtr4 << std::endl;
        fPtr4.swap(fPtr2);
        std::cout << "swap after fPtr2 = " << *fPtr2 << " fPtr4 = " << *fPtr4 << std::endl;
        //交换之后，引用计数也跟着变
        std::cout << "fPtr2 use_count:" << fPtr2.use_count() << " fPtr4 use_count:" << fPtr4.use_count() << std::endl;

        //返回shared_ptr指针指向的对象引用是否为1
        std::cout << "unique:" << std::boolalpha << fPtr1.unique() << std::endl;

        //reset 将当前shared指针计数设置为0，并将该指针所引用的对象计数减1，刷新所有引用此对象的shared指针
        std::cout << "before reset fPtr2 use_count = " << fPtr2.use_count() << " fPtr3 = " << fPtr3.use_count() << std::endl;
        fPtr3.reset();
        std::cout << "after reset  fPtr2 use_count = " << fPtr2.use_count() << " fPtr3 = " << fPtr3.use_count() << std::endl;


        std::cout << "-------------------------------------------" << std::endl;
        std::vector<std::tr1::shared_ptr<int> > numbers;

        numbers.push_back(std::tr1::shared_ptr<int>(new int(1)));
        numbers.push_back(std::tr1::shared_ptr<int>(new int(2)));
        numbers.push_back(std::tr1::shared_ptr<int>(new int(3)));

        //如果声明std::tr1::shared_ptr<const 类型>，而当前需要修改对象的值，
        //可以声明std::tr1::shared_ptr<int> sp = std::tr1::const_pointer_cast<int>(csp);
    }