導(dǎo)讀##

最近在補(bǔ)看《C++ Primer Plus》第六版，這的確是本好書，其中關(guān)于智能指針的章節(jié)解析的非常清晰，一解我以前的多處困惑。C++面試過(guò)程中，很多面試官都喜歡問(wèn)智能指針相關(guān)的問(wèn)題，比如你知道哪些智能指針？shared_ptr的設(shè)計(jì)原理是什么？如果讓你自己設(shè)計(jì)一個(gè)智能指針，你如何完成？等等……。而且在看開源的C++項(xiàng)目時(shí)，也能隨處看到智能指針的影子。這說(shuō)明智能指針不僅是面試官愛問(wèn)的題材，更是非常有實(shí)用價(jià)值。

下面是我在看智能指針時(shí)所做的筆記，希望能夠解決你對(duì)智能指針的一些困擾。

目錄##

1. 智能指針背后的設(shè)計(jì)思想
2. C++智能指針簡(jiǎn)單介紹
3. 為什么摒棄auto_ptr？
4. unique_ptr為何優(yōu)于auto_ptr？
5. 如何選擇智能指針？

正文##

1. 智能指針背后的設(shè)計(jì)思想####

我們先來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

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

當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)（weird_thing()返回true），delete將不被執(zhí)行，因此將導(dǎo)致內(nèi)存泄露。
如何避免這種問(wèn)題？有人會(huì)說(shuō)，這還不簡(jiǎn)單，直接在<code>throw exception();</code>之前加上<code>delete ps;</code>不就行了。是的，你本應(yīng)如此，問(wèn)題是很多人都會(huì)忘記在適當(dāng)?shù)牡胤郊由蟙elete語(yǔ)句（連上述代碼中最后的那句delete語(yǔ)句也會(huì)有很多人忘記吧），如果你要對(duì)一個(gè)龐大的工程進(jìn)行review，看是否有這種潛在的內(nèi)存泄露問(wèn)題，那就是一場(chǎng)災(zāi)難！
這時(shí)我們會(huì)想：當(dāng)remodel這樣的函數(shù)終止（不管是正常終止，還是由于出現(xiàn)了異常而終止），本地變量都將自動(dòng)從棧內(nèi)存中刪除—因此指針ps占據(jù)的內(nèi)存將被釋放，如果ps指向的內(nèi)存也被自動(dòng)釋放，那該有多好啊。
我們知道析構(gòu)函數(shù)有這個(gè)功能。如果ps有一個(gè)析構(gòu)函數(shù)，該析構(gòu)函數(shù)將在ps過(guò)期時(shí)自動(dòng)釋放它指向的內(nèi)存。但ps的問(wèn)題在于，它只是一個(gè)常規(guī)指針，不是有析構(gòu)凼數(shù)的類對(duì)象指針。如果它指向的是對(duì)象，則可以在對(duì)象過(guò)期時(shí)，讓它的析構(gòu)函數(shù)刪除指向的內(nèi)存。

這正是 auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr這幾個(gè)智能指針背后的設(shè)計(jì)思想。我簡(jiǎn)單的總結(jié)下就是：將基本類型指針封裝為類對(duì)象指針（這個(gè)類肯定是個(gè)模板，以適應(yīng)不同基本類型的需求），并在析構(gòu)函數(shù)里編寫delete語(yǔ)句刪除指針指向的內(nèi)存空間。

因此，要轉(zhuǎn)換remodel()函數(shù)，應(yīng)按下面3個(gè)步驟進(jìn)行：

• 包含頭義件memory（智能指針?biāo)诘念^文件）；
• 將指向string的指針替換為指向string的智能指針對(duì)象；
• 刪除delete語(yǔ)句。

下面是使用auto_ptr修改該函數(shù)的結(jié)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； 
    // delete ps； NO LONGER NEEDED
    return;
}

2. C++智能指針簡(jiǎn)單介紹####

STL一共給我們提供了四種智能指針：auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr（本文章暫不討論）。
模板auto_ptr是C++98提供的解決方案，C+11已將將其摒棄，并提供了另外兩種解決方案。然而，雖然auto_ptr被摒棄，但它已使用了好多年：同時(shí)，如果您的編譯器不支持其他兩種解決力案，auto_ptr將是唯一的選擇。

使用注意點(diǎn)

• 所有的智能指針類都有一個(gè)explicit構(gòu)造函數(shù)，以指針作為參數(shù)。比如auto_ptr的類模板原型為：

templet<class T>
class auto_ptr {
    explicit auto_ptr(X* p = 0) ; 
    ...
};

因此不能自動(dòng)將指針轉(zhuǎn)換為智能指針對(duì)象，必須顯式調(diào)用：

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)

• 對(duì)全部三種智能指針都應(yīng)避免的一點(diǎn)：

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

pvac過(guò)期時(shí)，程序?qū)裠elete運(yùn)算符用于非堆內(nèi)存，這是錯(cuò)誤的。

使用舉例

#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();
 }

 {
  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;
}

3. 為什么摒棄auto_ptr？####

先來(lái)看下面的賦值語(yǔ)句:

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

上述賦值語(yǔ)句將完成什么工作呢？如果ps和vocation是常規(guī)指針，則兩個(gè)指針將指向同一個(gè)string對(duì)象。這是不能接受的，因?yàn)槌绦驅(qū)⒃噲D刪除同一個(gè)對(duì)象兩次——一次是ps過(guò)期時(shí)，另一次是vocation過(guò)期時(shí)。要避免這種問(wèn)題，方法有多種：

• 定義陚值運(yùn)算符，使之執(zhí)行深復(fù)制。這樣兩個(gè)指針將指向不同的對(duì)象，其中的一個(gè)對(duì)象是另一個(gè)對(duì)象的副本，缺點(diǎn)是浪費(fèi)空間，所以智能指針都未采用此方案。
• 建立所有權(quán)（ownership）概念。對(duì)于特定的對(duì)象，只能有一個(gè)智能指針可擁有，這樣只有擁有對(duì)象的智能指針的構(gòu)造函數(shù)會(huì)刪除該對(duì)象。然后讓賦值操作轉(zhuǎn)讓所有權(quán)。這就是用于auto_ptr和uniqiie_ptr 的策略，但unique_ptr的策略更嚴(yán)格。
• 創(chuàng)建智能更高的指針，跟蹤引用特定對(duì)象的智能指針數(shù)。這稱為引用計(jì)數(shù)。例如，賦值時(shí)，計(jì)數(shù)將加1，而指針過(guò)期時(shí)，計(jì)數(shù)將減1,。當(dāng)減為0時(shí)才調(diào)用delete。這是shared_ptr采用的策略。

當(dāng)然，同樣的策略也適用于復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。
每種方法都有其用途，但為何說(shuō)要摒棄auto_ptr呢？
下面舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。

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

int main() {
  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. 將所有權(quán)從films[2]轉(zhuǎn)讓給pwin，此時(shí)films[2]不再引用該字符串從而變成空指針

 cout << "The nominees for best avian baseballl film are\n";
 for(int i = 0; i < 5; ++i)
  cout << *films[i] << endl;
 cout << "The winner is " << *pwin << endl;
 cin.get();

 return 0;
}

運(yùn)行下發(fā)現(xiàn)程序崩潰了，原因在上面注釋已經(jīng)說(shuō)的很清楚，films[2]已經(jīng)是空指針了，下面輸出訪問(wèn)空指針當(dāng)然會(huì)崩潰了。但這里如果把a(bǔ)uto_ptr換成shared_ptr或unique_ptr后，程序就不會(huì)崩潰，原因如下：

• 使用shared_ptr時(shí)運(yùn)行正常，因?yàn)閟hared_ptr采用引用計(jì)數(shù)，pwin和films[2]都指向同一塊內(nèi)存，在釋放空間時(shí)因?yàn)槭孪纫袛嘁糜?jì)數(shù)值的大小因此不會(huì)出現(xiàn)多次刪除一個(gè)對(duì)象的錯(cuò)誤。
• 使用unique_ptr時(shí)編譯出錯(cuò)，與auto_ptr一樣，unique_ptr也采用所有權(quán)模型，但在使用unique_ptr時(shí)，程序不會(huì)等到運(yùn)行階段崩潰，而在編譯器因下述代碼行出現(xiàn)錯(cuò)誤：

unique_ptr<string> pwin;
pwin = films[2]; // films[2] loses ownership.

指導(dǎo)你發(fā)現(xiàn)潛在的內(nèi)存錯(cuò)誤。

這就是為何要摒棄auto_ptr的原因，一句話總結(jié)就是：避免潛在的內(nèi)存崩潰問(wèn)題。

4. unique_ptr為何優(yōu)于auto_ptr？####

可能大家認(rèn)為前面的例子已經(jīng)說(shuō)明了unique_ptr為何優(yōu)于auto_ptr，也就是安全問(wèn)題，下面再敘述的清晰一點(diǎn)。
請(qǐng)看下面的語(yǔ)句:

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

在語(yǔ)句#3中，p2接管string對(duì)象的所有權(quán)后，p1的所有權(quán)將被剝奪。前面說(shuō)過(guò)，這是好事，可防止p1和p2的析構(gòu)函數(shù)試圖刪同—個(gè)對(duì)象；
但如果程序隨后試圖使用p1，這將是件壞事，因?yàn)閜1不再指向有效的數(shù)據(jù)。

下面來(lái)看使用unique_ptr的情況：

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

編譯器認(rèn)為語(yǔ)句#6非法，避免了p3不再指向有效數(shù)據(jù)的問(wèn)題。因此，unique_ptr比auto_ptr更安全。

但unique_ptr還有更聰明的地方。
有時(shí)候，會(huì)將一個(gè)智能指針賦給另一個(gè)并不會(huì)留下危險(xiǎn)的懸掛指針。假設(shè)有如下函數(shù)定義：

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

并假設(shè)編寫了如下代碼：

unique_ptr<string> ps;
ps = demo('Uniquely special")；

demo()返回一個(gè)臨時(shí)unique_ptr，然后ps接管了原本歸返回的unique_ptr所有的對(duì)象，而返回時(shí)臨時(shí)的 unique_ptr 被銷毀，也就是說(shuō)沒有機(jī)會(huì)使用 unique_ptr 來(lái)訪問(wèn)無(wú)效的數(shù)據(jù)，換句話來(lái)說(shuō)，這種賦值是不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題的，即沒有理由禁止這種賦值。實(shí)際上，編譯器確實(shí)允許這種賦值，這正是unique_ptr更聰明的地方。

總之，黨程序試圖將一個(gè) unique_ptr 賦值給另一個(gè)時(shí)，如果源 unique_ptr 是個(gè)臨時(shí)右值，編譯器允許這么做；如果源 unique_ptr 將存在一段時(shí)間，編譯器將禁止這么做，比如：

unique_ptr<string> pu1(new string ("hello world"));
unique_ptr<string> pu2;
pu2 = pu1;                                      // #1 not allowed
unique_ptr<string> pu3;
pu3 = unique_ptr<string>(new string ("You"));   // #2 allowed

其中#1留下懸掛的unique_ptr(pu1)，這可能導(dǎo)致危害。而#2不會(huì)留下懸掛的unique_ptr，因?yàn)樗{(diào)用 unique_ptr 的構(gòu)造函數(shù)，該構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的臨時(shí)對(duì)象在其所有權(quán)讓給 pu3 后就會(huì)被銷毀。這種隨情況而已的行為表明，unique_ptr 優(yōu)于允許兩種賦值的auto_ptr 。

當(dāng)然，您可能確實(shí)想執(zhí)行類似于#1的操作，僅當(dāng)以非智能的方式使用摒棄的智能指針時(shí)（如解除引用時(shí)），這種賦值才不安全。要安全的重用這種指針，可給它賦新值。C++有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)std::move()，讓你能夠?qū)⒁粋€(gè)unique_ptr賦給另一個(gè)。下面是一個(gè)使用前述demo()函數(shù)的例子，該函數(shù)返回一個(gè)unique_ptr<string>對(duì)象：
使用move后，原來(lái)的指針仍轉(zhuǎn)讓所有權(quán)變成空指針，可以對(duì)其重新賦值。

unique_ptr<string> ps1, ps2;
ps1 = demo("hello");
ps2 = move(ps1);
ps1 = demo("alexia");
cout << *ps2 << *ps1 << endl;

5. 如何選擇智能指針？####

在掌握了這幾種智能指針后，大家可能會(huì)想另一個(gè)問(wèn)題：在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)使用哪種智能指針呢？
下面給出幾個(gè)使用指南。

（1）如果程序要使用多個(gè)指向同一個(gè)對(duì)象的指針，應(yīng)選擇shared_ptr。這樣的情況包括：

• 有一個(gè)指針數(shù)組，并使用一些輔助指針來(lái)標(biāo)示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；
• 兩個(gè)對(duì)象包含都指向第三個(gè)對(duì)象的指針；
• STL容器包含指針。很多STL算法都支持復(fù)制和賦值操作，這些操作可用于shared_ptr，但不能用于unique_ptr（編譯器發(fā)出warning）和auto_ptr（行為不確定）。如果你的編譯器沒有提供shared_ptr，可使用Boost庫(kù)提供的shared_ptr。

（2）如果程序不需要多個(gè)指向同一個(gè)對(duì)象的指針，則可使用unique_ptr。如果函數(shù)使用new分配內(nèi)存，并返還指向該內(nèi)存的指針，將其返回類型聲明為unique_ptr是不錯(cuò)的選擇。這樣，所有權(quán)轉(zhuǎn)讓給接受返回值的unique_ptr，而該智能指針將負(fù)責(zé)調(diào)用delete。可將unique_ptr存儲(chǔ)到STL容器在那個(gè)，只要不調(diào)用將一個(gè)unique_ptr復(fù)制或賦給另一個(gè)算法（如sort()）。例如，可在程序中使用類似于下面的代碼段。

unique_ptr<int> make_int(int n)
{
    return unique_ptr<int>(new int(n));
}
void show(unique_ptr<int> &p1)
{
    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push_back調(diào)用沒有問(wèn)題，因?yàn)樗祷匾粋€(gè)臨時(shí)unique_ptr，該unique_ptr被賦給vp中的一個(gè)unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用給show()傳遞對(duì)象，for_each()將非法，因?yàn)檫@將導(dǎo)致使用一個(gè)來(lái)自vp的非臨時(shí)unique_ptr初始化pi，而這是不允許的。前面說(shuō)過(guò)，編譯器將發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤使用unique_ptr的企圖。
在unique_ptr為右值時(shí)，可將其賦給shared_ptr，這與將一個(gè)unique_ptr賦給一個(gè)需要滿足的條件相同。與前面一樣，在下面的代碼中，make_int()的返回類型為unique_ptr<int>：

unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000));   // ok
shared_ptr<int> spp(pup);                       // not allowed, pup as lvalue
shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000));   // ok

模板shared_ptr包含一個(gè)顯式構(gòu)造函數(shù)，可用于將右值unique_ptr轉(zhuǎn)換為shared_ptr。shared_ptr將接管原來(lái)歸unique_ptr所有的對(duì)象。
在滿足unique_ptr要求的條件時(shí)，也可使用auto_ptr，但unique_ptr是更好的選擇。如果你的編譯器沒有unique_ptr，可考慮使用Boost庫(kù)提供的scoped_ptr，它與unique_ptr類似。