C++11中的智能指针

转载自：http://www.jellythink.com/archives/684

上一篇《从auto_ptr说起》中详细的总结了C++98标准中的

auto_ptr

，但是随着C++11的到来，

auto_ptr

已经不再了，即将成为历史；好的东西总是会受到大家的欢迎的，随着大家都在使用“准”标准库boost中的

shared_ptr

；C++标准委员会终于觉的是时候将

shared_ptr

加入到C++11中去了。欢呼声一片，至少我是这么觉的了；至少

shared_ptr

让我用起来，还是不错的。接下来，就总结一下C++11中的这些智能指针吧。

C++11有哪些智能指针

先来一段简单的代码，看看C++11中到底有哪些智能指针。

/*************************************************************************
> File Name: SmartPointDemo.cpp
> Author: Jelly
> Mail: vipygd#126.com(#->@)
> Created Time: 2014年10月16日 星期四 15时25分43秒
************************************************************************/

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

int main()
{
unique_ptr<int> up1(new int(10)); // 不能复制的unique_ptr
// unique_ptr<int> up2 = up1; // 这样是错的
cout<<*up1<<endl;

unique_ptr<int> up3 = move(up1); // 现在up3是数据唯一的unique_ptr智能指针

cout<<*up3<<endl;
// cout<<*up1<<endl; // 运行时错误

up3.reset(); // 显示释放内存
up1.reset(); // 即使up1没有拥有任何内存，但是这样调用也没有问题
// cout<<*up3<<endl; // 已经释放掉up3了，这样会运行时错误

shared_ptr<int> sp1(new int(20));
shared_ptr<int> sp2 = sp1; // 这是完全可以的，增加引用计数

cout<<*sp1<<endl;
cout<<*sp2<<endl;

sp1.reset(); // 减少引用计数
cout<<*sp2<<endl;

return 0;
}

C++11中主要提供了

unique_ptr

、

shared_ptr

和

weak_ptr

这三个智能指针来自动回收堆分配的对象。看看上面的代码，感觉用起来也还挺轻松的，也还不错，至少是比

auto_ptr

好点。

unique_ptr

C++11中的

unique_ptr

是

auto_ptr

的替代品，它与

auto_ptr

一样拥有唯一拥有权的特性，与

auto_ptr

不一样的是，

unique_ptr

是没有复制构造函数的，这就防止了一些“悄悄地”丢失所有权的问题发生，如果需要将所有权进行转移，可以这样操作：

unique_ptr<int> up3 = move(up1); // 现在up3是数据唯一的unique_ptr智能指针

// 或者
unique_ptr<int> up4(move(up1));

只有在使用者显示的调用

std::move

之后，才会发生所有权的转移，这样就让使用者知道自己在干什么。再来一段代码，看看将

unique_ptr

作为函数参数和返回值的使用情况：

/*************************************************************************
> File Name: unique_ptrDemo.cpp
> Author: Jelly
> Mail: vipygd#126.com(#->@)
> Created Time: 2014年10月16日 星期四 17时10分49秒
************************************************************************/

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

unique_ptr<int> Func(unique_ptr<int> a)
{
cout<<*a<<endl;
return a;
}

int main()
{
unique_ptr<int> up1(new int(10));

up1 = Func(move(up1));
cout<<*up1<<endl;

return 0;
}

由于在

unique_ptr

中是没有复制构造函数的，所以在直接传参时，进行值传递时，建立临时变量时，就会出错了，所以需要显示的调用

move

，转移所有权；而函数的返回值已经进行了

move

操作，而不用显示的进行调用。

shared_ptr

在最开始的那段代码中，也简单的使用了一下

shared_ptr

。

shared_ptr

名如其名，它允许多个该智能指针共享地“拥有”同一堆分配对象的内存；由于它的资源是可以共用的，所以也就可以透过

operator=

等方法，来分享

shared_ptr

所使用的资源。由于

shared_ptr

内部实现上使用的是引用计数这种方法，所以一旦一个

shared_ptr

指针放弃了“所有权”，其它的

shared_ptr

对对象的引用并不会发生变化；只有在引用计数归零的时候，

shared_ptr

才会真正的释放所占有的堆内存空间的。对于引用计数的问题，我这里就不再多总结了，可以参考以下文章：

– 智能指针-引用计数实现

– COM中的引用计数1

– COM中的引用计数2

我这里注重的总结

shared_ptr

的使用，并不会对

shared_ptr

进行源码级别的分析。再来一段简单的代码，看看

shared_ptr

的一些应用。

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

void Func1(shared_ptr<int> a)
{
cout<<"Enter Func1"<<endl;
cout<<"Ref count: "<<a.use_count()<<endl;
cout<<"Leave Func1"<<endl;
}

shared_ptr<int> Func2(shared_ptr<int> a)
{
cout<<"Enter Func2"<<endl;
cout<<"Ref count: "<<a.use_count()<<endl;
cout<<"Leave Func2"<<endl;
return a;
}

int main()
{
shared_ptr<int> aObj1(new int(10));
cout<<"Ref count: "<<aObj1.use_count()<<endl;

{
shared_ptr<int> aObj2 = aObj1;
cout<<"Ref count: "<<aObj2.use_count()<<endl;
}

Func1(aObj1);

Func2(aObj1);

shared_ptr<int> aObj3 = Func2(aObj1);
cout<<"Ref count:"<<aObj3.use_count()<<endl;

return 0;
}

自己单独想想程序的输出。输出如下：

Ref count: 1
Ref count: 2
Enter Func1
Ref count: 2
Leave Func1
Enter Func2
Ref count: 2
Leave Func2
Enter Func2
Ref count: 2
Leave Func2
Ref count:2

shared_ptr指向数组

在默认情况下，

shared_ptr

将调用

delete

进行内存的释放；当分配内存时使用

new[]

时，我们需要对应的调用

delete[]

来释放内存；为了能正确的使用

shared_ptr

指向一个数组，我们就需要定制一个删除函数，例如：

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

class A
{
public:
A() { cout<<"constructor"<<endl; }
~A() { cout<<"destructor"<<endl; }
};

int main()
{
shared_ptr<A> arrayObj(new A[5], [](A *p){delete[] p;});

return 0;
}

上面的代码看不懂的，请参考这篇《C++中的Lambda表达式》文章。如果确实需要共享地托管一个对象，使用

unique_ptr

也许会更简单一些，比如：

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

class A
{
public:
A() { cout<<"constructor"<<endl; }
~A() { cout<<"destructor"<<endl; }
};

int main()
{
unique_ptr<A[]> arrayObj(new A[5]);

return 0;
}

线程安全

关于多线程中使用

shared_ptr

，有如下几点描述：

1. 同一个

shared_ptr

被多个线程读，是线程安全的；

2. 同一个

shared_ptr

被多个线程写，不是 线程安全的；

3. 共享引用计数的不同的

shared_ptr

被多个线程写，是线程安全的。
对于第一点，没有什么说的；对于第二点，同一个

shared_ptr

在不同的线程中进行写操作不是线程安全的，那基于第三点，我们一般会有以下方案来实现线程安全：

对于线程中传入的外部

shared_ptr

对象，在线程内部进行一次新的构造，例如： sharedptr AObjTmp = outerSharedptrObj;

环形引用

对于使用引用计数实现的智能指针，总是避免不了这个问题的。如果出现类似下面的代码，那就出现了环形引用的问题了。

class Parent
{
public:
shared_ptr<Child> child;
};

class Child
{
public:
shared_ptr<Parent> parent;
};

shared_ptr<Parent> pA(new Parent);
shared_ptr<Child> pB(new Child);
pA->child = pB;
pB->parent = pA;

要解决环形引用的问题，没有特别好的办法，一般都是在可能出现环形引用的地方使用

weak_ptr

来代替

shared_ptr

。说到了

weak_ptr

，那下面就接着总结

weak_ptr

吧。

weak_ptr

weak_ptr

是最麻烦的，也比较拗口的；它可以指向

shared_ptr

指针指向的对象内存，却并不拥有该内存。但是，使用

weak_ptr

成员

lock

，则可返回其指向内存的一个

shared_ptr

对象，且在所指对象内存已经无效时，返回指针空值（nullptr）。由于

weak_ptr

是指向

shared_ptr

所指向的内存的，所以，

weak_ptr

并不能独立存在。例如以下代码：

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

void Check(weak_ptr<int> &wp)
{
shared_ptr<int> sp = wp.lock(); // 重新获得shared_ptr对象
if (sp != nullptr)
{
cout<<"The value is "<<*sp<<endl;
}
else
{
cout<<"Pointer is invalid."<<endl;
}
}

int main()
{
shared_ptr<int> sp1(new int(10));
shared_ptr<int> sp2 = sp1;
weak_ptr<int> wp = sp1; // 指向sp1所指向的内存

cout<<*sp1<<endl;
cout<<*sp2<<endl;
Check(wp);

sp1.reset();
cout<<*sp2<<endl;
Check(wp);

sp2.reset();
Check(wp);

return 0;
}

所以，我们在使用

weak_ptr

时也要当心，时刻需要判断对应的

shared_ptr

是否还有效。对于上面的环形引用的问题，由于

weak_ptr

并不会增加

shared_ptr

的引用计数，所以我们就可以使用

weak_ptr

来解决这个问题。

class Parent
{
public:
weak_ptr<Child> child;
};

class Child
{
public:
weak_ptr<Parent> parent;
};

shared_ptr<Parent> pA(new Parent);
shared_ptr<Child> pB(new Child);
pA->child = pB;
pB->parent = pA;

总结

这篇文章有点长，但是很详细的总结了C++11中的智能指针相关的问题，希望这篇文章对大家有用。

2014年10月18日 于深圳。