C++ 智能指针的初探

最近在看《Effective C++》，其中很多地方用到了智能指针。所以决定花时间了了解一下它。

一、简介

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制，程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete，流程太复杂，最终导致没有 delete，异常导致程序过早退出，没有执行 delete 的情况并不罕见。

用智能指针便可以有效缓解这类问题，本文主要讲解参见的智能指针的用法。包括std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr。这只是最基础的几个，还有一些，暂且先学会走。不能一口吃个胖子。

你可能会想，如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题，真的有必要吗？看完这篇文章后，我想你心里自然会有答案。

二、具体使用

1、总括

对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并非指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了“operator->”操作符，直接返回对象的引用，用以操作对象。访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。

访问智能指针包含的裸指针则可以用 get() 函数。由于智能指针是一个对象，所以if (my_smart_object)永远为真，要判断智能指针的裸指针是否为空，需要这样判断：if (my_smart_object.get())。

智能指针包含了 reset() 方法，如果不传递参数（或者传递 NULL），则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象，则智能指针会释放当前对象，来管理新传入的对象。

我们编写一个测试类来辅助分析：

#include"iostream"

class Simple
{
public:
    Simple(int param = 0) :number(param)
    {
        std::cout << "Simple:  " << number << std::endl;
    }
    ~Simple()
    {
        std::cout << "~Simple:  " << number << std::endl;
    }
    void printSomething()
    {
        //std::cout << "printsomething:  " <<info_extend << std::endl;//#include"string"才可以编译通过，因为string中重载了<<
        std::cout << "printsomething:  " << info_extend << std::endl;//c_str()函数
    }

    std::string info_extend;
    int number;
};

2、std::auto_ptr

std::auto_ptr 属于 STL，当然在 namespace std 中，包含头文件 #include<memory>便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。

我们从代码开始分析：

void TestAutoPtr() 
{
    std::auto_ptr<Simple>my_memory(new Simple(1));//// 创建对象，输出：Simple：1
    if (my_memory.get())// // 判断智能指针是否为空
    {
        /* 1.使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数或成员
           2.使用 get() 返回裸指针，访问智能指针对象中的函数或成员;
           3.使用 operator* 返回智能指针内部对象，然后用“.”调用智能指针对象中的函数或成员
        */
        my_memory->printSomething();//// 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
        //my_memory->info_extend = "Addition";
        my_memory.get()->info_extend = "Addition";//使用 get() 返回裸指针，然后给内部对象赋值
        my_memory->printSomething();
        (*my_memory).info_extend += " other";/// 使用 operator* 返回智能指针内部对象，然后用“.”调用智能指针对象中的函数
        my_memory->printSomething();
    }
}

void main()
{
    TestAutoPtr();

    system("pause");
}

// my_memory 栈对象即将结束生命期，析构堆对象 Simple(1)

执行结果为：

Simple: 1

PrintSomething:

PrintSomething: Addition

PrintSomething: Addition other

~Simple: 1

上述为正常使用 std::auto_ptr 的代码，一切似乎都良好，无论如何不用我们显示使用该死的 delete 了。

其实好景不长，我们看看如下的另一个例子：

void TestAutoPtr2() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;   // 创建一个新的 my_memory2 对象
    my_memory2 = my_memory;             // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2
    my_memory2->PrintSomething();       // 输出信息，复制成功
    my_memory->PrintSomething();        // 崩溃
  }
}

最终如上代码导致崩溃，如上代码时绝对符合 C++ 编程思想的，居然崩溃了，跟进std::auto_ptr 的源码后，我们看到，罪魁祸首是“my_memory2 = my_memory”，这行代码，my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权，导致 my_memory 悬空，最后使用时导致崩溃。

所以，使用 std::auto_ptr 时，绝对不能使用“operator=”操作符。作为一个库，不允许用户使用，确没有明确拒绝[1]，多少会觉得有点出乎预料。

看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后，让我们再来看一个：

void TestAutoPtr3() {

std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

if (my_memory.get()) {

my_memory.release();

}

执行结果为：

Simple: 1

看到什么异常了吗？我们创建出来的对象没有被析构，没有输出“~Simple: 1”，导致内存泄露。当我们不想让 my_memory 继续生存下去，我们调用 release() 函数释放内存，结果却导致内存泄露（在内存受限系统中，如果my_memory占用太多内存，我们会考虑在使用完成后，立刻归还，而不是等到 my_memory 结束生命期后才归还）。

正确的代码应该为：

void TestAutoPtr3() {

std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

if (my_memory.get()) {

Simple* temp_memory = my_memory.release();

delete temp_memory;

}

或

void TestAutoPtr3() {

std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

if (my_memory.get()) {

my_memory.reset(); // 释放 my_memory 内部管理的内存

}

原来 std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权，这显然也不符合 C++ 编程思想。

总结：std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存，但是，请注意如下几点：

（1）尽量不要使用“operator=”。如果使用了，请不要再使用先前对象。

（2）记住 release() 函数不会释放对象，仅仅归还所有权。

（3） std::auto_ptr 最好不要当成参数传递（读者可以自行写代码确定为什么不能）。

（4）由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题，有其管理的对象不能放入std::vector 等容器中。

（5） ……

使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多，还不能用来管理堆内存数组，这应该是你目前在想的事情吧，我也觉得限制挺多的，哪天一个不小心，就导致问题了。

由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题，一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想，所以引发了下面 boost 的智能指针，boost 智能指针可以解决如上问题。

让我们继续向下看。

3、boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样，可以方便的管理单个堆内存对象，特别的是，boost::scoped_ptr 独享所有权，避免了std::auto_ptr 恼人的几个问题。

我们还是从代码开始分析：

void TestScopedPtr() {

boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

if (my_memory.get()) {

my_memory->PrintSomething();

my_memory.get()->info_extend = "Addition";

my_memory->PrintSomething();

(*my_memory).info_extend += " other";

my_memory->PrintSomething();

my_memory.release(); // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数

std::auto_ptr<Simple> my_memory2;

my_memory2 = my_memory; // 编译 error: scoped_ptr 没有重载operator=，不会导致所有权转移

}

首先，我们可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数，不会导致先前的内存泄露问题。其次，由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的，所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句，可以缓解std::auto_ptr 几个恼人的问题。

由于 boost::scoped_ptr 独享所有权，当我们真真需要复制智能指针时，需求便满足不了了，如此我们再引入一个智能指针，专门用于处理复制，参数传递的情况，这便是如下的 boost::shared_ptr。

4、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权，不允许赋值、拷贝，boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的，由于要共享所有权，其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。

我们还是从代码开始分析：

void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) { // 注意：无需使用 reference (或const reference)

memory->PrintSomething();

std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;

}

void TestSharedPtr2() {

boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

if (my_memory.get()) {

my_memory->PrintSomething();

my_memory.get()->info_extend = "Addition";

my_memory->PrintSomething();

(*my_memory).info_extend += " other";

my_memory->PrintSomething();

}

std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

TestSharedPtr(my_memory);

std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

//my_memory.release();// 编译 error: 同样，shared_ptr 也没有 release 函数

}

执行结果为：

Simple: 1

PrintSomething:

PrintSomething: Addition

PrintSomething: Addition other

TestSharedPtr2 UseCount: 1

PrintSomething: Addition other

TestSharedPtr UseCount: 2

TestSharedPtr2 UseCount: 1

~Simple: 1

boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点，boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数，由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ，此函数返回 boost::shared_ptr内部的引用计数。查看执行结果，我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中，引用计数为1，传递参数后（此处进行了一次复制），在函数TestSharedPtr 内部，引用计数为2，在TestSharedPtr 返回后，引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候，boost::shared_ptr 是再好不过的了。

在此，我们已经看完单个对象的智能指针管理，后面还有关于智能指针管理数组，要学习的还很多。先把基础的吸收了。

posted @ 2016-11-23 11:28 ren_zhg1992 阅读(110) 评论(0) 收藏举报

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