C++11 shared_ptr智能指針（超級詳細）

在實際的 C++ 開發中，我們經常會遇到諸如程序運行中突然崩潰、程序運行所用內存越來越多最終不得不重啟等問題，這些問題往往都是內存資源管理不當造成的。比如：

• 有些內存資源已經被釋放，但指向它的指針並沒有改變指向（成為了野指針），並且后續還在使用；
• 有些內存資源已經被釋放，后期又試圖再釋放一次（重復釋放同一塊內存會導致程序運行崩潰）；
• 沒有及時釋放不再使用的內存資源，造成內存泄漏，程序占用的內存資源越來越多。

針對以上這些情況，很多程序員認為 C++ 語言應該提供更友好的內存管理機制，這樣就可以將精力集中於開發項目的各個功能上。

事實上，顯示內存管理的替代方案很早就有了，早在 1959 年前后，就有人提出了“垃圾自動回收”機制。所謂垃圾，指的是那些不再使用或者沒有任何指針指向的內存空間，而“回收”則指的是將這些“垃圾”收集起來以便再次利用。

如今，垃圾回收機制已經大行其道，得到了諸多編程語言的支持，例如 Java、Python、C#、PHP 等。而 C++ 雖然從來沒有公開得支持過垃圾回收機制，但 C++98/03 標准中，支持使用 auto_ptr 智能指針來實現堆內存的自動回收；C++11 新標准在廢棄 auto_ptr 的同時，增添了 unique_ptr、shared_ptr 以及 weak_ptr 這 3 個智能指針來實現堆內存的自動回收。

所謂智能指針，可以從字面上理解為“智能”的指針。具體來講，智能指針和普通指針的用法是相似的，不同之處在於，智能指針可以在適當時機自動釋放分配的內存。也就是說，使用智能指針可以很好地避免“忘記釋放內存而導致內存泄漏”問題出現。由此可見，C++ 也逐漸開始支持垃圾回收機制了，盡管目前支持程度還有限。

C++ 智能指針底層是采用引用計數的方式實現的。簡單的理解，智能指針在申請堆內存空間的同時，會為其配備一個整形值（初始值為 1），每當有新對象使用此堆內存時，該整形值 +1；反之，每當使用此堆內存的對象被釋放時，該整形值減 1。當堆空間對應的整形值為 0 時，即表明不再有對象使用它，該堆空間就會被釋放掉。

接下來，我們將分別對 shared_ptr、unique_ptr 以及 weak_ptr 這 3 個智能指針的特性和用法做詳細的講解，本節先介紹 shared_ptr 智能指針。

C++11 shared_ptr智能指針

實際上，每種智能指針都是以類模板的方式實現的，shared_ptr 也不例外。shared_ptr<T>（其中 T 表示指針指向的具體數據類型）的定義位於<memory>頭文件，並位於 std 命名空間中，因此在使用該類型指針時，程序中應包含如下 2 行代碼：

1. #include <memory>
2. using namespace std;

注意，第 2 行代碼並不是必須的，也可以不添加，則后續在使用 shared_ptr 智能指針時，就需要明確指明std::。

值得一提的是，和 unique_ptr、weak_ptr 不同之處在於，多個 shared_ptr 智能指針可以共同使用同一塊堆內存。並且，由於該類型智能指針在實現上采用的是引用計數機制，即便有一個 shared_ptr 指針放棄了堆內存的“使用權”（引用計數減 1），也不會影響其他指向同一堆內存的 shared_ptr 指針（只有引用計數為 0 時，堆內存才會被自動釋放）。

1、shared_ptr智能指針的創建

shared_ptr<T> 類模板中，提供了多種實用的構造函數，這里給讀者列舉了幾個常用的構造函數（以構建指向 int 類型數據的智能指針為例）。

1)  通過如下 2 種方式，可以構造出 shared_ptr<T> 類型的空智能指針：

1. std::shared_ptr<int> p1; //不傳入任何實參
2. std::shared_ptr<int> p2(nullptr); //傳入空指針 nullptr

注意，空的 shared_ptr 指針，其初始引用計數為 0，而不是 1。

2) 在構建 shared_ptr 智能指針，也可以明確其指向。例如：

1. std::shared_ptr<int> p3(new int(10));

由此，我們就成功構建了一個 shared_ptr 智能指針，其指向一塊存有 10 這個 int 類型數據的堆內存空間。

同時，C++11 標准中還提供了 std::make_shared<T> 模板函數，其可以用於初始化 shared_ptr 智能指針，例如：

1. std::shared_ptr<int> p3 = std::make_shared<int>(10);

以上 2 種方式創建的 p3 是完全相同。

3) 除此之外，shared_ptr<T> 模板還提供有相應的拷貝構造函數和移動構造函數，例如：

1. //調用拷貝構造函數
2. std::shared_ptr<int> p4(p3);//或者 std::shared_ptr<int> p4 = p3;
3. //調用移動構造函數
4. std::shared_ptr<int> p5(std::move(p4)); //或者 std::shared_ptr<int> p5 = std::move(p4);

有關拷貝構造函數，讀者可閱讀《C++拷貝構造函數》一節做系統了解；有關移動構造函數，讀者可閱讀《C++移動構造函數》做詳細了解；有關 move() 函數的功能和用法，讀者可閱讀《C++11 move()》一節。

如上所示，p3 和 p4 都是 shared_ptr 類型的智能指針，因此可以用 p3 來初始化 p4，由於 p3 是左值，因此會調用拷貝構造函數。需要注意的是，如果 p3 為空智能指針，則 p4 也為空智能指針，其引用計數初始值為 0；反之，則表明 p4 和 p3 指向同一塊堆內存，同時該堆空間的引用計數會加 1。

而對於 std::move(p4) 來說，該函數會強制將 p4 轉換成對應的右值，因此初始化 p5 調用的是移動構造函數。另外和調用拷貝構造函數不同，用 std::move(p4) 初始化 p5，會使得 p5 擁有了 p4 的堆內存，而 p4 則變成了空智能指針。

注意，同一普通指針不能同時為多個 shared_ptr 對象賦值，否則會導致程序發生異常。例如：

1. int* ptr = new int;
2. std::shared_ptr<int> p1(ptr);
3. std::shared_ptr<int> p2(ptr);//錯誤

4) 在初始化 shared_ptr 智能指針時，還可以自定義所指堆內存的釋放規則，這樣當堆內存的引用計數為 0 時，會優先調用我們自定義的釋放規則。

在某些場景中，自定義釋放規則是很有必要的。比如，對於申請的動態數組來說，shared_ptr 指針默認的釋放規則是不支持釋放數組的，只能自定義對應的釋放規則，才能正確地釋放申請的堆內存。

對於申請的動態數組，釋放規則可以使用 C++11 標准中提供的 default_delete<T> 模板類，我們也可以自定義釋放規則：

1. //指定 default_delete 作為釋放規則
2. std::shared_ptr<int> p6(new int[10], std::default_delete<int[]>());
4. //自定義釋放規則
5. void deleteInt(int*p) {
6. delete []p;
7. }
8. //初始化智能指針，並自定義釋放規則
9. std::shared_ptr<int> p7(new int[10], deleteInt);

實際上借助 lambda 表達式，我們還可以像如下這樣初始化 p7，它們是完全相同的：

1. std::shared_ptr<int> p7(new int[10], [](int* p) {delete[]p; });

shared_ptr<T> 模板類還提供有其它一些初始化智能指針的方法，感興趣的讀者可前往講解 shared_ptr 的官網做系統了解。

2、shared_ptr<T>模板類提供的成員方法

為了方便用戶使用 shared_ptr 智能指針，shared_ptr<T> 模板類還提供有一些實用的成員方法，它們各自的功能如表 1 所示。

表 1 shared_ptr<T>模板類常用成員方法

成員方法名	功 能
operator=()	重載賦值號，使得同一類型的 shared_ptr 智能指針可以相互賦值。
operator*()	重載 * 號，獲取當前 shared_ptr 智能指針對象指向的數據。
operator->()	重載 -> 號，當智能指針指向的數據類型為自定義的結構體時，通過 -> 運算符可以獲取其內部的指定成員。
swap()	交換 2 個相同類型 shared_ptr 智能指針的內容。
reset()	當函數沒有實參時，該函數會使當前 shared_ptr 所指堆內存的引用計數減 1，同時將當前對象重置為一個空指針；當為函數傳遞一個新申請的堆內存時，則調用該函數的 shared_ptr 對象會獲得該存儲空間的所有權，並且引用計數的初始值為 1。
get()	獲得 shared_ptr 對象內部包含的普通指針。
use_count()	返回同當前 shared_ptr 對象（包括它）指向相同的所有 shared_ptr 對象的數量。
unique()	判斷當前 shared_ptr 對象指向的堆內存，是否不再有其它 shared_ptr 對象再指向它。
operator bool()	判斷當前 shared_ptr 對象是否為空智能指針，如果是空指針，返回 false；反之，返回 true。

 除此之外，C++11 標准還支持同一類型的 shared_ptr 對象，或者 shared_ptr 和 nullptr 之間，進行 ==，!=，<，<=，>，>= 運算。

下面程序給大家演示了 shared_ptr 智能指針的基本用法，以及該模板類提供了一些成員方法的用法：

1. #include <iostream>
2. #include <memory>
3. using namespace std;
5. int main()
6. {
7. //構建 2 個智能指針
8. std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
9. std::shared_ptr<int> p2(p1);
10. //輸出 p2 指向的數據
11. cout << *p2 << endl;
12. p1.reset();//引用計數減 1,p1為空指針
13. if (p1) {
14. cout << "p1 不為空" << endl;
15. }
16. else {
17. cout << "p1 為空" << endl;
18. }
19. //以上操作，並不會影響 p2
20. cout << *p2 << endl;
21. //判斷當前和 p2 同指向的智能指針有多少個
22. cout << p2.use_count() << endl;
23. return 0;
24. }

程序執行結果為：

10
p1 為空
10
1