C++ 中的智能指針-基礎

要點回顧

此部分方便知識點快速回顧，首次閱讀請從引言部分開始。

• RAII 的主要原則就是把任何在堆上分配的資源(比如動態分配的內存或者系統對象的處理)的所有權提供給在棧上分配的對象(其析構函數包含釋放資源及相關清理的代碼)。

• 在現代 C++ 中，原始指針只用於包含在局部作用域，循環或者工具函數的小塊代碼中(對性能有要求，並且對資源的所有權也不容易混淆)。

• 智能指針通常提供了獲取原始指針的方式。 C++ 標准庫中的智能指針包含了成員函數 get 來獲取原始指針。

unique_ptr vs shared_ptr vs weak_ptr

• unique_ptr
  

  • 對封裝的原始指針是獨占的
  • 默認用於 POCO，除非你明確的知道你需要一個 shared_ptr
  • 可以移入新的所有者，但不能拷貝或者共享
  • 替代 auto_ptr，auto_ptr 已作廢
  • 對比 boost::scoped_ptr，unique_ptr 更加小巧和高效
  • 長度為一個指針的大小，並且支持右值引用來快速執行 C++ 標准庫容器的插入和遍歷操作

• shared_ptr
  

  • 引用計數智能指針
  • 當你需要將原始指針分派給多個所有者時使用，例如，當你從容器返回一個指針的拷貝並且想要保留它
  • 原始指針不會被 delete 直到所有的 shared_ptr 超出作用域或者放棄所有權。
  • 長度為兩個指針的大小，一個用於對象，另一個用於包含引用計數的共享控制塊

• weak_ptr
  

  • 結合 shared_ptr 使用的特殊智能指針。
  • weak_ptr 提供了對被一個或者多個 shared_ptr 所擁有的對象的訪問，但不參與引用計數。
  • 如果你想要監測某個對象，不要求其不被釋放，可以使用 weak_ptr
  • 在某些情況下，用於解決 shared_ptr 實例間的循環引用。

引言

在現代 C++ 編程中，標准庫包含了智能指針(Smart pointers)。

智能指針用來確保程序不會出現內存和資源的泄漏，並且是"異常安全"(exception-safe)的。

智能指針的使用

智能指針定義在頭文件 memory 里的命名空間 std 中。它對於資源獲取即初始化(RAII, Resource Acquisition Is Initialization) 編程理念至關重要。該理念的目的是保證對象初始化的時候也是資源獲取的時候，從而使對象的所有資源在單行代碼中創建。

實踐中，RAII 的主要原則就是把任何在堆上分配的資源(比如動態分配的內存或者系統對象的處理)的所有權提供給在棧上分配的對象(其析構函數包含釋放資源及相關清理的代碼)。

大多數時候，當你初始化一個原始指針或者資源句柄使其指向實際的資源時，立即將其傳給智能指針。

在現代 C++ 中，原始指針只用於包含在局部作用域，循環或者工具函數的小塊代碼中(對性能有要求，並且對資源的所有權也不容易混淆)。

原始指針和智能指針的聲明比較如下：

void UseRawPointer()
{
    // Using a raw pointer -- not recommended.
    Song* pSong = new Song(L"Nothing on You", L"Bruno Mars"); 

    // Use pSong...

    // Don't forget to delete!
    delete pSong;   
}

void UseSmartPointer()
{
    // Declare a smart pointer on stack and pass it the raw pointer.
    unique_ptr<Song> song2(new Song(L"Nothing on You", L"Bruno Mars"));

    // Use song2...
    wstring s = song2->duration_;
    //...

} // song2 is deleted automatically here.

如上所示，智能指針是一個在棧上聲明的類模板，並由指向分配在堆上的對象的原始指針初始化。當智能指針初始化后，它就擁有了原始指針的所有權。這意味着智能指針需要負責原始指針指向的內存釋放。智能指針的析構函數包含了 delete 的調用，並且由於智能指針是在棧上聲明的，其析構函數會在智能指針對象離開作用域時被調用，即使在棧中發生了異常。

通過使用指針運算符(-> 和 *)訪問被封裝的指針，智能指針類重載了這些運算符以返回被封裝的原始指針。

C++ 智能指針的理念類似於在 C# 語言中創建對象的過程：創建對象后讓系統負責在正確的時間將其刪除。不同之處在於，沒有獨立的垃圾回收器運行於后台；內存是按照標准 C++ 規范對內存進行管理的，使運行時環境更加快速和高效。

[!重要]

總是在單獨的行上創建智能指針，而不是在參數列表中，從而避免由於特定的參數列表分配規則出現一些輕微的內存泄漏

以下示例顯示了 C++ 標准庫中的 unique_ptr 是如何封裝指向大型對象的指針的。

class LargeObject
{
public:
    void DoSomething(){}
};

void ProcessLargeObject(const LargeObject& lo){}

void SmartPointerDemo()
{    
    // Create the object and pass it to a smart pointer
    std::unique_ptr<LargeObject> pLarge(new LargeObject());

    //Call a method on the object
    pLarge->DoSomething();

    // Pass a reference to a method.
    ProcessLargeObject(*pLarge);

} //pLarge is deleted automatically when function block goes out of scope.

上述示例演示了使用智能指針的關鍵步驟：

1. 將智能指針聲明為局部變量(不要在智能指針上使用 new 或者 malloc 表達式)。
2. 在類型參數上，指定被封裝指針指向的對象類型。
3. 將指向由 new 創建的對象的指針傳給智能指針的構造函數。
4. 使用重載的操作符 -> 和 * 來訪問對象。
5. 讓智能指針來 delete 對象。

智能指針在設計上兼顧了內存和性能的高效性。例如，unique_ptr 唯一的數據成員是被封裝的原始指針，這意味着 unique_ptr 具有原始指針同樣地大小，4 字節或者 8 字節。通過智能指針重載的操作符 -> 和 * 來訪問並不比直接使用原始指針來訪問慢多少。

智能指針有其自己的成員函數，通過 . 來訪問。例如，一些 C++ 標准庫的智能指針有用於重置的成員函數來釋放對原始指針的所有權。這可以用於在智能指針超出作用域前釋放智能指針管理的內存，看下面的示例：

void SmartPointerDemo2()
{
    // Create the object and pass it to a smart pointer
    std::unique_ptr<LargeObject> pLarge(new LargeObject());

    //Call a method on the object
    pLarge->DoSomething();

    // Free the memory before we exit function block.
    pLarge.reset();

    // Do some other work...

}

智能指針通常提供了獲取原始指針的方式。 C++ 標准庫中的智能指針包含了成員函數 get 來獲取原始指針。 CComPtr 有公共的類成員 p。通過獲取原始指針，你能夠使用智能指針來管理你自己代碼涉及的內存並依然能夠將原始指針傳遞給不支持智能指針的代碼。

void SmartPointerDemo4()
{
    // Create the object and pass it to a smart pointer
    std::unique_ptr<LargeObject> pLarge(new LargeObject());

    //Call a method on the object
    pLarge->DoSomething();

    // Pass raw pointer to a legacy API
    LegacyLargeObjectFunction(pLarge.get());    
}

智能指針的種類

以下部分總結了在 Windows 環境下不同種類的智能指針，以及如何使用它們。

C++ 標准庫中的智能指針

優先使用下列智能指針來封裝原始指針指向的純舊對象(plain old C++ objects，POCO):

• unique_ptr
  

  • 對封裝的原始指針是獨占的
  • 默認用於 POCO，除非你明確的知道你需要一個 shared_ptr
  • 可以移入新的所有者，但不能拷貝或者共享
  • 替代 auto_ptr，auto_ptr 已作廢
  • 對比 boost::scoped_ptr，unique_ptr 更加小巧和高效
  • 長度為一個指針的大小，並且支持右值引用來快速執行 C++ 標准庫容器的插入和遍歷操作

• shared_ptr
  

  • 引用計數智能指針
  • 當你需要將原始指針分派給多個所有者時使用，例如，當你從容器返回一個指針的拷貝並且想要保留它
  • 原始指針不會被 delete 直到所有的 shared_ptr 超出作用域或者放棄所有權。
  • 長度為兩個指針的大小，一個用於對象，另一個用於包含引用計數的共享控制塊

• weak_ptr
  

  • 結合 shared_ptr 使用的特殊智能指針。
  • weak_ptr 提供了對被一個或者多個 shared_ptr 所擁有的對象的訪問，但不參與引用計數。
  • 如果你想要監測某個對象，不要求其不被釋放，可以使用 weak_ptr
  • 在某些情況下，用於解決 shared_ptr 實例間的循環引用。

擴展

• 用於 COM 組件的智能指針
• 用於 POCO對象的ATL智能指針

引用

• Microsoft Docs (https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/cpp/smart-pointers-modern-cpp?view=msvc-160)