C++智能指针详解

一、简介

由于C++语言没有自动内存回收机制，程序员每次new出来的内在都要手动delete。程序员忘记delete；流程太复杂导致没有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的匹配问题，真的有必要吗？看完这篇文章后，我想你心里自然会有答案。

二、具体使用

1、总括

对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并且指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针通过析构函数释放由它管理的堆内存。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，同时管理新传入的对象。

我们编写一个测试类来辅助分析：

class Simple
{
public:
Simple(int param = 0) {
number = param;
std::cout << "Simple : " << number << std::endl;
}

~Simple() {
std::cout << "~Simple : " << number << std::endl;
}

void PrintSomething() {
std::cout << "PrintSomething : " << info_extend.c_str() << std::endl;
}

std::string info_extend;
int number;
}

2、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。

我们从代码开始分析：

void TestAutoPtr()
{
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));    // 创建对象，输出:Simple : 1
if (my_memory.get()) {                             // 判断智能指针是否为空
my_memory->PrintSomething();                   // 使用operator->调用智能指针对象中的函数
my_memory.get()->info_extend = "Addition";     // 使用get()返回裸指针，然后给内部对象赋值
my_memory->PrintSomething();                   // 再次打印，表明上述赋值成功
(*my_memory).info_extend += " other";        // 使用operator*返回智能指针内部对象，然后用“.”调智能指针对象中的函数
my_memory->PrintSomething();                   // 再次打印，表明上述赋值成功
}
}                                                      // my_memory栈对象即将结束生命期，析构堆对象

执行结果为：

Simple : 1
PrintSomething :
PrintSomething : Addition
PrintSomething : Addition other
~Simple : 1

上述为正常使用std::auto_ptr的代码，一切似乎都良好，无论如何不用我们显式使用该死的delete了。

其实好景不长，我们看看如下的另一个例子：

void TestAutoPtr2()
{
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
std::auto_ptr<Simple> my_memory2;              // 创建一个新的my_memory2对象
my_memory2 = my_memory;                        // 复制my_memory 给 my_memory2
my_memory2->PrintSomething();                  // 输出信息，复制成功
//! my_memory->PrintSomething();               // 崩溃
}
}

最终如上代码导致崩溃，如上代码绝对符合C++编程思想，居然崩溃了，跟进std::auto_ptr的源码后，我们看到，罪魁祸首是”my_memory2 = my_memory“，这行代码使得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。作为一个库，不允许用户使用，竟然没有明确拒绝，多少会觉得有点出乎意料。

看完std::auto_ptr好景不长的第一个例子，让我们再来看一个：

void TestAutoPtr3()
{
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory.release();
}
}

执行结果为：

Simple : 1

看到什么异常了吗？我们创建出来的对象没有被析构，没有输出”~Simple : 1“，导致内存泄露。当我们不想让my_memory继续生存下去，我们调用release()函数释放内存，结果却导致内存泄露（在内存受限的系统中，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）。

正确的代码应该为：

void TestAutoPtr3()
{
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
Simple* temp_memroy = my_memory.release();
delete temp_memory;
}
}

或者：

void TestAutoPtr3()
{
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory.reset();   // 释放my_memory内部管理的内存
}
}

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

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

(1) 尽量不要使用"operator="。如果使用了，请不要再使用先前的对象。

(2) 记住release()函数不会释放对象，它仅仅归还所有权。

(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="的问题，由其管理的对象不能放入std::vector等容器中。

使用std::auto_ptr的限制还真多，还不能用来管理堆内存数据，这应该是你目前在想的事情吧，我还觉得限制挺多的，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，所以引出了下面的boost智能指针，boost智能指针可以解决如上问题。

3、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，特别是，boost::scoped_ptr独享所有权，避免了std::auto_ptr恼人的几个问题。

我们还是从代码开始分析：

void TestScopedPtr()
{
boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory->PrintSomething();
my_memory.get()->info_extend = "Addition";
my_memory->PrintSomething();
(*my_memory).info_extend += " other";
my_memory->PrintSomething();

//! my_memory.release();                        // 编译错误 ： scoped_ptr没有release函数
boost::scoped_ptr<Simple> my_memory2;
//! my_memory2 = my_memory;                     // 编译错误 ： scoped_ptr没有重载 operator=，不会导致所有权的转移
}
}

首先，我们可以看到，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，可以解决std::auto_ptr的几个问题。

由于boost::scoped_ptr独享所有权，当我们真正需要复制智能指针时，需要便满足不了了，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，这就是：boost::shared_ptr。

4、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。

我们还是从代码开始分析：

void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory)     // 注意：无需使用reference（或const reference）
{
memory->PrintSomething();
std::cout << "TestSharedPtr UseCount : " << memory.use_count() << std::endl;
}

void TestSharedPtr2()
{
boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get())
{
my_memory->PrintSomething();
my_memory.get()->info_extend = "Addition";
my_memory->PrintSomething();
(*my_memroy).info_extend += " other";
my_memory->PrintSomething();
}

std::cout << "TestSharePtr2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl;
TesetSharedPtr(my_memory);
std::cout << "TestSharePtr2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl;

//! my_memory.release();              // 编译错误：与scoped_ptr一样，shared_ptr也没有release函数
}

执行结果为：

Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr2 UseCount: 1
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr UseCount: 2
TestSharedPtr2 UseCount: 1
~Simple: 1

boost::shared_ptr也可以很方便的使用，并且也没有release()函数。关键一点，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。查看执行结果，我们可以看到在TestSharedPtr2函数中，引用计数为1，传递参数后（此处进行了一次复制），在函数TestSharePtr内部，引用计数为2，在TestSharedPtr返回后，引用计数又降低为1。当我们需要使用一个共享对象的时候，boost::share_ptr是再好不过了。

在此，我们已经看完了单个对象的智能指针管理，关于智能指针管理数组，我们接着讨论。

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

代码分析：

void TestScopedArray()
{
boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);   // 使用内存数组来初始化
if (my_memory.get())
{
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
my_memory[0].PrintSomething();
//! (*my_memory)[0].info_extend += " other";        // 编译错误：scoped_array没有重载operator*
//! my_memory[0].release();                         // 编译错误：scoped_array没有release函数
boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
//! my_memory2 = my_memory;                         // 编译错误：scoped_array没有重载operator=
}
}

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据。另外，boost::scoped_array没有重载“operator*”，其实并无大碍，一般情况下，我们使用get()函数更明确些。

6、boost::shared_array

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，其内部使用了引用计数。

代码分析：

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory)     // 注意：无需使用reference（或const reference）
{
std::cout << "TesetSharedArray UseCount : " << memory.use_count() << std::endl;
}

void TestSharedArray2()
{
boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
if (my_memory.get())
{
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory[1].PrintSomething();
my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
my_memory[1].PrintSomething();
//! (*my_memory)[0].info_extend += " other";       // 编译错误：shared_array没有重载operator*
 }

    //! my_memory.release();                               // 编译错误：shared_array没有release函数

boost::shared_array<Simple> my_memory2;
my_memory2 = my_memory;

std::cout << "TestSharedArray2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl;
TestSharedArray(my_memory);
std::cout << "TestSharedArray2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

执行结果：

Simple : 0
Simple : 0
PrintSomething :
PrintSomething : Addition 00
PrintSomething :
PrintSomething : Addition 11
TestSharedArray2 UseCount: 1
TestSharedArray UseCount: 2
TestSharedArray2 UseCount: 1
~Simple: 0
~Simple: 0

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。

7、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，我们只关心是否使用对象，并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr是boost::shared_ptr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。

代码分析：

void TestWeakPtr()
{
boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl;
my_memory_weak = my_memory;
std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount : " << my_memory.use_count() << std::end;
}

执行结果：

Simple : 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~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，当然，读者也可以试试传递参数等其他情况。

现在要说的问题是，boost::weak_ptr到底有什么作用呢？从上面的例子看来，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。

8、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。

讲完以上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，现在有又多了一种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有太大用处，至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码……

三、总结

如上讲了这么多智能指针，有必要对它们做个总结：

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。
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）。
在对象需要共享的情况下，使用boost::shared_ptr（动态数据使用boost::shared_array）。
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。
最后一点，也是要求最苛刻的一点：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。

智能指针	重载operator=	重载operator*	release()	备注
std::auto_ptr	√	√	√	1. 使用operator=进行my_memory2=my_memory;的赋值后，再使用my_memory会导致程序崩溃；原因是：my_memory2完全夺取了my_memory的内存管理所有权，导致my_memory悬空。 2. 作参数传递时，情况跟operator=类似。 3. release()仅仅归还所有权，不会释放对象。
boost::scoped_ptr	╳	√	╳	1. boost::scoped_ptr独享所有权，所以没有重载 operator=，不会导致所有权的转移。 2. boost::scoped_ptr没有release()函数，不然导致上文中类似std::auto_ptr的误用。
boost::shared_ptr	√	√	╳	支持赋值、参数传递。
boost::scoped_array	╳	╳	╳	1. 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据。 2. boost::scoped_array没有重载“operator*”，一般情况下，我们使用get()函数更明确些。
boost::shared_array	√	╳	╳
boost::weak_ptr	√	╳	╳	boost::weak_ptr是专门为boost::shared_ptr而准备的，主要用在软件架构设计中。