c++ 智能指針用法詳解

本文介紹c++里面的四個智能指針: auto_ptr, shared_ptr, weak_ptr, unique_ptr 其中后三個是c++11支持，並且第一個已經被c++11棄用。

為什么要使用智能指針：我們知道c++的內存管理是讓很多人頭疼的事，當我們寫一個new語句時，一般就會立即把delete語句直接也寫了，但是我們不能避免程序還未執行到delete時就跳轉了或者在函數中沒有執行到最后的delete語句就返回了，如果我們不在每一個可能跳轉或者返回的語句前釋放資源，就會造成內存泄露。使用智能指針可以很大程度上的避免這個問題，因為智能指針就是一個類，當超出了類的作用域是，類會自動調用析構函數，析構函數會自動釋放資源。下面我們逐個介紹。

auto_ptr （官方文檔）

class Test
{
public:
    Test(string s)
    {
        str = s;
       cout<<"Test creat\n";
    }
    ~Test()
    {
        cout<<"Test delete:"<<str<<endl;
    }
    string& getStr()
    {
        return str;
    }
    void setStr(string s)
    {
        str = s;
    }
    void print()
    {
        cout<<str<<endl;
    }
private:
    string str;
};


int main()
{
    auto_ptr<Test> ptest(new Test("123"));
    ptest->setStr("hello ");
    ptest->print();
    ptest.get()->print();
    ptest->getStr() += "world !";
    (*ptest).print();
    ptest.reset(new Test("123"));
    ptest->print();
    return 0;
}

運行結果如下

如上面的代碼：智能指針可以像類的原始指針一樣訪問類的public成員，成員函數get()返回一個原始的指針，成員函數reset()重新綁定指向的對象，而原來的對象則會被釋放。注意我們訪問auto_ptr的成員函數時用的是“.”，訪問指向對象的成員時用的是“->”。我們也可用聲明一個空智能指針auto_ptr<Test>ptest();

當我們對智能指針進行賦值時，如ptest2 = ptest，ptest2會接管ptest原來的內存管理權，ptest會變為空指針，如果ptest2原來不為空，則它會釋放原來的資源，基於這個原因，應該避免把auto_ptr放到容器中，因為算法對容器操作時，很難避免STL內部對容器實現了賦值傳遞操作，這樣會使容器中很多元素被置為NULL。判斷一個智能指針是否為空不能使用if(ptest == NULL)，應該使用if(ptest.get() == NULL)，如下代碼                                                           本文地址

int main()
{
    auto_ptr<Test> ptest(new Test("123"));
    auto_ptr<Test> ptest2(new Test("456"));
    ptest2 = ptest;
    ptest2->print();
    if(ptest.get() == NULL)cout<<"ptest = NULL\n";
    return 0;
}

還有一個值得我們注意的成員函數是release，這個函數只是把智能指針賦值為空，但是它原來指向的內存並沒有被釋放，相當於它只是釋放了對資源的所有權，從下面的代碼執行結果可以看出，析構函數沒有被調用。

int main()
{
    auto_ptr<Test> ptest(new Test("123"));
    ptest.release();
    return 0;
}

那么當我們想要在中途釋放資源，而不是等到智能指針被析構時才釋放，我們可以使用ptest.reset(); 語句。

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unique_ptr (官方文檔) 

 

 

unique_ptr,是用於取代c++98的auto_ptr的產物,在c++98的時候還沒有移動語義(move semantics)的支持,因此對於auto_ptr的控制權轉移的實現沒有核心元素的支持,但是還是實現了auto_ptr的移動語義,這樣帶來的一些問題是拷貝構造函數和復制操作重載函數不夠完美,具體體現就是把auto_ptr作為函數參數,傳進去的時候控制權轉移,轉移到函數參數,當函數返回的時候並沒有一個控制權移交的過程,所以過了函數調用則原先的auto_ptr已經失效了.在c++11當中有了移動語義,使用move()把unique_ptr傳入函數,這樣你就知道原先的unique_ptr已經失效了.移動語義本身就說明了這樣的問題,比較坑爹的是標准描述是說對於move之后使用原來的內容是未定義行為,並非拋出異常,所以還是要靠人肉遵守游戲規則.再一個,auto_ptr不支持傳入deleter,所以只能支持單對象(delete object),而unique_ptr對數組類型有偏特化重載,並且還做了相應的優化,比如用[]訪問相應元素等.

unique_ptr 是一個獨享所有權的智能指針，它提供了嚴格意義上的所有權，包括：

1、擁有它指向的對象

2、無法進行復制構造，無法進行復制賦值操作。即無法使兩個unique_ptr指向同一個對象。但是可以進行移動構造和移動賦值操作

3、保存指向某個對象的指針，當它本身被刪除釋放的時候，會使用給定的刪除器釋放它指向的對象

unique_ptr 可以實現如下功能：

1、為動態申請的內存提供異常安全

2、講動態申請的內存所有權傳遞給某函數

3、從某個函數返回動態申請內存的所有權

4、在容器中保存指針

5、auto_ptr 應該具有的功能

unique_ptr<Test> fun()
{
    return unique_ptr<Test>(new Test("789"));
}
int main()
{
    unique_ptr<Test> ptest(new Test("123"));
    unique_ptr<Test> ptest2(new Test("456"));
    ptest->print();
    ptest2 = std::move(ptest);//不能直接ptest2 = ptest
    if(ptest == NULL)cout<<"ptest = NULL\n";
    Test* p = ptest2.release();
    p->print();
    ptest.reset(p);
    ptest->print();
    ptest2 = fun(); //這里可以用=，因為使用了移動構造函數
    ptest2->print();
    return 0;
}

unique_ptr 和 auto_ptr用法很相似，不過不能使用兩個智能指針賦值操作，應該使用std::move; 而且它可以直接用if(ptest == NULL)來判斷是否空指針；release、get、reset等用法也和auto_ptr一致，使用函數的返回值賦值時，可以直接使用=, 這里使用c++11 的移動語義特性。另外注意的是當把它當做參數傳遞給函數時（使用值傳遞，應用傳遞時不用這樣），傳實參時也要使用std::move,比如foo(std::move(ptest))。它還增加了一個成員函數swap用於交換兩個智能指針的值

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share_ptr (官方文檔)

從名字share就可以看出了資源可以被多個指針共享，它使用計數機制來表明資源被幾個指針共享。可以通過成員函數use_count()來查看資源的所有者個數。出了可以通過new來構造，還可以通過傳入auto_ptr, unique_ptr,weak_ptr來構造。當我們調用release()時，當前指針會釋放資源所有權，計數減一。當計數等於0時，資源會被釋放。具體的成員函數解釋可以參考 here

int main()
{
    shared_ptr<Test> ptest(new Test("123"));
    shared_ptr<Test> ptest2(new Test("456"));
    cout<<ptest2->getStr()<<endl;
    cout<<ptest2.use_count()<<endl;
    ptest = ptest2;//"456"引用次數加1，“123”銷毀
    ptest->print();
    cout<<ptest2.use_count()<<endl;//2
    cout<<ptest.use_count()<<endl;//2
    ptest.reset();
    ptest2.reset();//此時“456”銷毀
    cout<<"done !\n";
    return 0;
}

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weak_ptr(官方文檔)

weak_ptr是用來解決shared_ptr相互引用時的死鎖問題,如果說兩個shared_ptr相互引用,那么這兩個指針的引用計數永遠不可能下降為0,資源永遠不會釋放。它是對對象的一種弱引用，不會增加對象的引用計數，和shared_ptr之間可以相互轉化，shared_ptr可以直接賦值給它，它可以通過調用lock函數來獲得shared_ptr。

class B;
class A
{
public:
    shared_ptr<B> pb_;
    ~A()
    {
        cout<<"A delete\n";
    }
};
class B
{
public:
    shared_ptr<A> pa_;
    ~B()
    {
        cout<<"B delete\n";
    }
};

void fun()
{
    shared_ptr<B> pb(new B());
    shared_ptr<A> pa(new A());
    pb->pa_ = pa;
    pa->pb_ = pb;
    cout<<pb.use_count()<<endl;
    cout<<pa.use_count()<<endl;
}

int main()
{
    fun();
    return 0;
}

可以看到fun函數中pa ，pb之間互相引用，兩個資源的引用計數為2，當要跳出函數時，智能指針pa，pb析構時兩個資源引用計數會減一，但是兩者引用計數還是為1，導致跳出函數時資源沒有被釋放（A B的析構函數沒有被調用），如果把其中一個改為weak_ptr就可以了，我們把類A里面的shared_ptr<B> pb_; 改為weak_ptr<B> pb_; 運行結果如下，這樣的話，資源B的引用開始就只有1，當pb析構時，B的計數變為0，B得到釋放，B釋放的同時也會使A的計數減一，同時pa析構時使A的計數減一，那么A的計數為0，A得到釋放。

注意的是我們不能通過weak_ptr直接訪問對象的方法，比如B對象中有一個方法print(),我們不能這樣訪問，pa->pb_->print(); 英文pb_是一個weak_ptr，應該先把它轉化為shared_ptr,如：shared_ptr<B> p = pa->pb_.lock();    p->print();

 

參考資料

胡健：http://www.cnblogs.com/hujian/archive/2012/12/10/2810776.html

胡健：http://www.cnblogs.com/hujian/archive/2012/12/10/2810754.html

胡健：http://www.cnblogs.com/hujian/archive/2012/12/10/2810785.html

天方：http://www.cnblogs.com/TianFang/archive/2008/09/20/1294590.html

gaa_ra：http://blog.csdn.net/gaa_ra/article/details/7841204

cplusplus：http://www.cplusplus.com/

 

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