C++ 智能指针

分手后的思念是犯贱 2022-06-09 13:39 389阅读 0赞

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、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost:: intrusive_ptr。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。
下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针（smart_ptr）。

具体使用

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：

  1. class Simple {
  2.  public:
  3.   Simple(int param = 0) {
  4.     number = param;
  5.     std::cout << "Simple: " << number << std::endl; 
  6.   }
  8.   ~Simple() {
  9.     std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  10.   }
  12.   void PrintSomething() {
  13.     std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  14.   }
  16.   std::string info_extend;
  17.   int number;
  18. };

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：

  1. void TestAutoPtr() {
  2. std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 创建对象，输出：Simple：1
  3. if (my_memory.get()) {                            // 判断智能指针是否为空
  4. my_memory->PrintSomething();                    // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
  5. my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指针，然后给内部对象赋值
  6. my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述赋值成功
  7. (*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
  8. my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述赋值成功
  9.   }
  10. }                                                   // my_memory 栈对象即将结束生命期，析构堆对象 Simple(1)

执行结果为：

  1. Simple: 1
  2. PrintSomething:
  3. PrintSomething: Addition
  4. PrintSomething: Addition other
  5. ~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：

  1. void TestAutoPtr2() {
  2.   std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  3.   if (my_memory.get()) {
  4.     std::auto_ptr<Simple> my_memory2;   // 创建一个新的 my_memory2 对象
  5.     my_memory2 = my_memory;             // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2
  6.     my_memory2->PrintSomething();       // 输出信息，复制成功
  7.     my_memory->PrintSomething();        // 崩溃
  8.   }
  9. }

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：

  1. void TestAutoPtr3() {
  2.   std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  4.   if (my_memory.get()) {
  5.     my_memory.release();
  6.   }
  7. }

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：

  1. void TestAutoPtr3() {
  2.   std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  3.   if (my_memory.get()) {
  4.     Simple* temp_memory = my_memory.release();
  5.     delete temp_memory;
  6.   }
  7. }

或

  1. void TestAutoPtr3() {
  2.   std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  3.   if (my_memory.get()) {
  4.     my_memory.reset();  // 释放 my_memory 内部管理的内存
  5.   }
  6. }

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。 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：

  1. void TestScopedPtr() {
  2.   boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  3.   if (my_memory.get()) {
  4.     my_memory->PrintSomething();
  5.     my_memory.get()->info_extend = "Addition";
  6.     my_memory->PrintSomething();
  7.     (*my_memory).info_extend += " other";
  8.     my_memory->PrintSomething();
  9.     my_memory.release();           // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数
  10.     std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
  11.     my_memory2 = my_memory;        // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=，不会导致所有权转移
  12.   }
  13. }

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。 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：

  1. void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 reference (或 const reference)
  2.   memory->PrintSomething();
  3.   std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
  4. }
  6. void TestSharedPtr2() {
  7.   boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  8.   if (my_memory.get()) {
  9.     my_memory->PrintSomething();
  10.     my_memory.get()->info_extend = "Addition";
  11.     my_memory->PrintSomething();
  12.     (*my_memory).info_extend += " other";
  13.     my_memory->PrintSomething();
  14.   }
  16.   std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  17.   TestSharedPtr(my_memory);
  18.   std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  20.   //my_memory.release();// 编译 error: 同样，shared_ptr 也没有 release 函数
  21. }

执行结果为：

  1. Simple: 1
  2. PrintSomething:
  3. PrintSomething: Addition
  4. PrintSomething: Addition other
  5. TestSharedPtr2 UseCount: 1
  6. PrintSomething: Addition other
  7. TestSharedPtr UseCount: 2
  8. TestSharedPtr2 UseCount: 1
  9. ~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，关于智能指针管理数组，我们接下来讲到。

boost::scoped_array

boost::scoped_array 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_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样，也是独享所有权的。
我们还是从代码开始分析：

  1. void TestScopedArray() {
  2.       boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化
  3.       if (my_memory.get()) {
  4.         my_memory[0].PrintSomething();
  5.         my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
  6.         my_memory[0].PrintSomething();
  7.         (*my_memory)[0].info_extend += " other";            // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
  8.         my_memory[0].release();                             // 同上，没有 release 函数
  9.         boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
  10.         my_memory2 = my_memory;                             // 编译 error，同上，没有重载 operator=
  11.       }
  12.     }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持复制，并且初始化的时候需要使用动态数组。另外，boost::scoped_array 没有重载“operator*”，其实这并无大碍，一般情况下，我们使用 get() 函数更明确些。 下面肯定应该讲 boost::shared_array 了，一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。 boost::shared_array

boost::shared_array 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。
由于 boost::scoped_array 独享所有权，显然在很多情况下（参数传递、对象赋值等）不满足需求，由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样，内部使用了引用计数。
我们还是从代码开始分析：

  1. void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 reference (或 const reference)
  2.   std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
  3. }
  5. void TestSharedArray2() {
  6.   boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
  7.   if (my_memory.get()) {
  8.     my_memory[0].PrintSomething();
  9.     my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
  10.     my_memory[0].PrintSomething();
  11.     my_memory[1].PrintSomething();
  12.     my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
  13.     my_memory[1].PrintSomething();
  14.     //(*my_memory)[0].info_extend += " other";  // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
  15.   }
  16.   std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  17.   TestSharedArray(my_memory);
  18.   std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  19. }

执行结果为：

  1. Simple: 0
  2. Simple: 0
  3. PrintSomething:
  4. PrintSomething: Addition 00
  5. PrintSomething:
  6. PrintSomething: Addition 11
  7. TestSharedArray2 UseCount: 1
  8. TestSharedArray UseCount: 2
  9. TestSharedArray2 UseCount: 1
  10. ~Simple: 0
  11. ~Simple: 0

跟 boost::shared_ptr 一样，使用了引用计数，可以复制，通过参数来传递。

至此，我们讲过的智能指针有std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了，90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针，它们肯定有用，但有什么用处呢，一起看看吧。 boost::weak_ptr

boost::weak_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。
在讲 boost::weak_ptr 之前，让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了，这儿还多出一个 boost::weak_ptr，是否还有某些情况我们没纳入考虑呢？
回答：有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候，我们只关心能否使用对象，并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的观察者（Observer）对象，观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用，而不改变其引用计数，当被观察的 boost::shared_ptr 失效后，相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。
我们还是从代码开始

  1. void TestWeakPtr() {
  2.       boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
  3.       boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  4.       std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  5.       my_memory_weak = my_memory;
  6.       std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  7. }

执行结果为：

  1. Simple: 1
  2. TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
  3. TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
  4. ~Simple: 1

我们看到，尽管被赋值了，内部的引用计数并没有什么变化，当然，读者也可以试试传递参数等其他情况。 现在要说的问题是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？从上面那个例子看来，似乎没有任何作用，其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中，可以在基类（此处的基类并非抽象基类，而是指继承于抽象基类的虚基类）中定义一个 boost::weak_ptr，用于指向子类的 boost::shared_ptr，这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了，而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数，用以降低复杂度，更好的管理对象。 boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_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。
讲完如上 6 种智能指针后，对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了，现在有多了一种 boost::intrusive_ptr，这是一种插入式的智能指针，内部不含有引用计数，需要程序员自己加入引用计数，不然编译不过（⊙﹏⊙b汗）。个人感觉这个智能指针没太大用处，至少我没用过。

总结

如上讲了这么多智能指针，有必要对这些智能指针做个总结：
1、在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想，而且极容易出错[2]。
2、在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr（当然动态数组使用 boost::scoped_array）。
3、在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr（当然动态数组使用 boost::shared_array）。
4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下，使用 boost::weak_ptr，一般常用于软件框架设计中。
5、最后一点，也是要求最苛刻一点：在你的代码中，不要出现 delete 关键字（或 C 语言的 free 函数），因为可以用智能指针去管理。

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