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C++ 智能指針詳解
一、簡介 由于 C++ 語言沒有自動(dòng)內(nèi)存回收機(jī)制，程序員每次 new 出來的內(nèi)存都要手動(dòng) delete。程序員忘記 delete，流程太復(fù)雜，最終導(dǎo)致沒有 delete，異常導(dǎo)致程序過早退出，沒有執(zhí)行 delete 的情況并不罕見。 用智能指針便可以有效緩解這類問題，本文主要講解參見的智能指針的用法。包括：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost:: intrusive_ptr。你可能會(huì)想，如此多的智能指針就為了解決new、delete匹配問題，真的有必要嗎？看完這篇文章后，我想你心里自然會(huì)有答案。 下面就按照順序講解如上 7 種智能指針（smart_ptr）。
二、具體使用 1、總括 對(duì)于編譯器來說，智能指針實(shí)際上是一個(gè)棧對(duì)象，并非指針類型，在棧對(duì)象生命期即將結(jié)束時(shí)，智能指針通過析構(gòu)函數(shù)釋放有它管理的堆內(nèi)存。所有智能指針都重載了“operator->”操作符，直接返回對(duì)象的引用，用以操作對(duì)象。訪問智能指針原來的方法則使用“.”操作符。 訪問智能指針包含的裸指針則可以用 get() 函數(shù)。由于智能指針是一個(gè)對(duì)象，所以if (my_smart_object)永遠(yuǎn)為真，要判斷智能指針的裸指針是否為空，需要這樣判斷：if (my_smart_object.get())。 智能指針包含了 reset() 方法，如果不傳遞參數(shù)（或者傳遞 NULL），則智能指針會(huì)釋放當(dāng)前管理的內(nèi)存。如果傳遞一個(gè)對(duì)象，則智能指針會(huì)釋放當(dāng)前對(duì)象，來管理新傳入的對(duì)象。 我們編寫一個(gè)測試類來輔助分析： 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.c_str() << std::endl; }
std::string info_extend; int number; };
2、std::auto_ptr std::auto_ptr 屬于 STL，當(dāng)然在 namespace std 中，包含頭文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能夠方便的管理單個(gè)堆內(nèi)存對(duì)象。 我們從代碼開始分析： void TestAutoPtr() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); // 創(chuàng)建對(duì)象，輸出：Simple：1 if (my_memory.get()) { // 判斷智能指針是否為空 my_memory->PrintSomething(); // 使用 operator-> 調(diào)用智能指針對(duì)象中的函數(shù) my_memory.get()->info_extend = "Addition"; // 使用 get() 返回裸指針，然后給內(nèi)部對(duì)象賦值 my_memory->PrintSomething(); // 再次打印，表明上述賦值成功 (*my_memory).info_extend += " other"; // 使用 operator* 返回智能指針內(nèi)部對(duì)象，然后用“.”調(diào)用智能指針對(duì)象中的函數(shù) my_memory->PrintSomething(); // 再次打印，表明上述賦值成功 } } // my_memory 棧對(duì)象即將結(jié)束生命期，析構(gòu)堆對(duì)象 Simple(1) 執(zhí)行結(jié)果為： Simple: 1 PrintSomething: PrintSomething: Addition PrintSomething: Addition other ~Simple: 1 上述為正常使用 std::auto_ptr 的代碼，一切似乎都良好，無論如何不用我們顯示使用該死的 delete 了。
其實(shí)好景不長，我們看看如下的另一個(gè)例子： void TestAutoPtr2() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { std::auto_ptr<Simple> my_memory2; // 創(chuàng)建一個(gè)新的 my_memory2 對(duì)象 my_memory2 = my_memory; // 復(fù)制舊的 my_memory 給 my_memory2 my_memory2->PrintSomething(); // 輸出信息，復(fù)制成功 my_memory->PrintSomething(); // 崩潰 } } 最終如上代碼導(dǎo)致崩潰，如上代碼時(shí)絕對(duì)符合 C++ 編程思想的，居然崩潰了，跟進(jìn) std::auto_ptr 的源碼后，我們看到，罪魁禍?zhǔn)资?#8220;my_memory2 = my_memory”，這行代碼，my_memory2 完全奪取了 my_memory 的內(nèi)存管理所有權(quán)，導(dǎo)致 my_memory 懸空，最后使用時(shí)導(dǎo)致崩潰。 所以，使用 std::auto_ptr 時(shí)，絕對(duì)不能使用“operator=”操作符。作為一個(gè)庫，不允許用戶使用，確沒有明確拒絕[1]，多少會(huì)覺得有點(diǎn)出乎預(yù)料。
看完 std::auto_ptr 好景不長的第一個(gè)例子后，讓我們再來看一個(gè)： void TestAutoPtr3() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) { my_memory.release(); } } 執(zhí)行結(jié)果為： Simple: 1 看到什么異常了嗎？我們創(chuàng)建出來的對(duì)象沒有被析構(gòu)，沒有輸出“~Simple: 1”，導(dǎo)致內(nèi)存泄露。當(dāng)我們不想讓 my_memory 繼續(xù)生存下去，我們調(diào)用 release() 函數(shù)釋放內(nèi)存，結(jié)果卻導(dǎo)致內(nèi)存泄露（在內(nèi)存受限系統(tǒng)中，如果my_memory占用太多內(nèi)存，我們會(huì)考慮在使用完成后，立刻歸還，而不是等到 my_memory 結(jié)束生命期后才歸還）。 正確的代碼應(yīng)該為： 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(); // 釋放 my_memory 內(nèi)部管理的內(nèi)存 } } 原來 std::auto_ptr 的 release() 函數(shù)只是讓出內(nèi)存所有權(quán)，這顯然也不符合 C++ 編程思想。 總結(jié)：std::auto_ptr 可用來管理單個(gè)對(duì)象的對(duì)內(nèi)存，但是，請注意如下幾點(diǎn)： （1） 盡量不要使用“operator=”。如果使用了，請不要再使用先前對(duì)象。 （2） 記住 release() 函數(shù)不會(huì)釋放對(duì)象，僅僅歸還所有權(quán)。 （3） std::auto_ptr 最好不要當(dāng)成參數(shù)傳遞（讀者可以自行寫代碼確定為什么不能）。 （4） 由于 std::auto_ptr 的“operator=”問題，有其管理的對(duì)象不能放入 std::vector 等容器中。 （5） …… 使用一個(gè) std::auto_ptr 的限制還真多，還不能用來管理堆內(nèi)存數(shù)組，這應(yīng)該是你目前在想的事情吧，我也覺得限制挺多的，哪天一個(gè)不小心，就導(dǎo)致問題了。 由于 std::auto_ptr 引發(fā)了諸多問題，一些設(shè)計(jì)并不是非常符合 C++ 編程思想，所以引發(fā)了下面 boost 的智能指針，boost 智能指針可以解決如上問題。 讓我們繼續(xù)向下看。
3、boost::scoped_ptr boost::scoped_ptr 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一樣，可以方便的管理單個(gè)堆內(nèi)存對(duì)象，特別的是，boost::scoped_ptr 獨(dú)享所有權(quán)，避免了 std::auto_ptr 惱人的幾個(gè)問題。 我們還是從代碼開始分析： 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(); // 編譯 error: scoped_ptr 沒有 release 函數(shù) std::auto_ptr<Simple> my_memory2; my_memory2 = my_memory; // 編譯 error: scoped_ptr 沒有重載 operator=，不會(huì)導(dǎo)致所有權(quán)轉(zhuǎn)移 } } 首先，我們可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一樣正常使用。但其沒有 release() 函數(shù)，不會(huì)導(dǎo)致先前的內(nèi)存泄露問題。其次，由于 boost::scoped_ptr 是獨(dú)享所有權(quán)的，所以明確拒絕用戶寫“my_memory2 = my_memory”之類的語句，可以緩解 std::auto_ptr 幾個(gè)惱人的問題。 由于 boost::scoped_ptr 獨(dú)享所有權(quán)，當(dāng)我們真真需要復(fù)制智能指針時(shí)，需求便滿足不了了，如此我們再引入一個(gè)智能指針，專門用于處理復(fù)制，參數(shù)傳遞的情況，這便是如下的 boost::shared_ptr。
4、boost::shared_ptr boost::shared_ptr 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我們看到 boost::scoped_ptr 獨(dú)享所有權(quán)，不允許賦值、拷貝，boost::shared_ptr 是專門用于共享所有權(quán)的，由于要共享所有權(quán)，其在內(nèi)部使用了引用計(jì)數(shù)。boost::shared_ptr 也是用于管理單個(gè)堆內(nèi)存對(duì)象的。 我們還是從代碼開始分析： void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) { // 注意：無需使用 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();// 編譯 error: 同樣，shared_ptr 也沒有 release 函數(shù) } 執(zhí)行結(jié)果為： 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。并且沒有 release() 函數(shù)。關(guān)鍵的一點(diǎn)，boost::shared_ptr 內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)引用計(jì)數(shù)，由此可以支持復(fù)制、參數(shù)傳遞等。boost::shared_ptr 提供了一個(gè)函數(shù) use_count() ，此函數(shù)返回 boost::shared_ptr 內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)。查看執(zhí)行結(jié)果，我們可以看到在 TestSharedPtr2 函數(shù)中，引用計(jì)數(shù)為 1，傳遞參數(shù)后（此處進(jìn)行了一次復(fù)制），在函數(shù)TestSharedPtr 內(nèi)部，引用計(jì)數(shù)為2，在 TestSharedPtr 返回后，引用計(jì)數(shù)又降低為 1。當(dāng)我們需要使用一個(gè)共享對(duì)象的時(shí)候，boost::shared_ptr 是再好不過的了。 在此，我們已經(jīng)看完單個(gè)對(duì)象的智能指針管理，關(guān)于智能指針管理數(shù)組，我們接下來講到。
5、boost::scoped_array boost::scoped_array 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 boost::scoped_array 便是用于管理動(dòng)態(tài)數(shù)組的。跟 boost::scoped_ptr 一樣，也是獨(dú)享所有權(quán)的。 我們還是從代碼開始分析： void TestScopedArray() { boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用內(nèi)存數(shù)組來初始化 if (my_memory.get()) { my_memory[0].PrintSomething(); my_memory.get()[0].info_extend = "Addition"; my_memory[0].PrintSomething(); (*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 編譯 error，scoped_ptr 沒有重載 operator* my_memory[0].release(); // 同上，沒有 release 函數(shù) boost::scoped_array<Simple> my_memory2; my_memory2 = my_memory; // 編譯 error，同上，沒有重載 operator= } } boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持復(fù)制，并且初始化的時(shí)候需要使用動(dòng)態(tài)數(shù)組。另外，boost::scoped_array 沒有重載“operator*”，其實(shí)這并無大礙，一般情況下，我們使用 get() 函數(shù)更明確些。 下面肯定應(yīng)該講 boost::shared_array 了，一個(gè)用引用計(jì)數(shù)解決復(fù)制、參數(shù)傳遞的智能指針類。
6、boost::shared_array boost::shared_array 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 由于 boost::scoped_array 獨(dú)享所有權(quán)，顯然在很多情況下（參數(shù)傳遞、對(duì)象賦值等）不滿足需求，由此我們引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一樣，內(nèi)部使用了引用計(jì)數(shù)。 我們還是從代碼開始分析： void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) { // 注意：無需使用 reference (或 const reference) std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl; }
void TestSharedArray2() { boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); if (my_memory.get()) { my_memory[0].PrintSomething(); my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00"; my_memory[0].PrintSomething(); my_memory[1].PrintSomething(); my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11"; my_memory[1].PrintSomething(); //(*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 編譯 error，scoped_ptr 沒有重載 operator* } std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; TestSharedArray(my_memory); std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; } 執(zhí)行結(jié)果為： Simple: 0 Simple: 0 PrintSomething: PrintSomething: Addition 00 PrintSomething: PrintSomething: Addition 11 TestSharedArray2 UseCount: 1 TestSharedArray UseCount: 2 TestSharedArray2 UseCount: 1 ~Simple: 0 ~Simple: 0 跟 boost::shared_ptr 一樣，使用了引用計(jì)數(shù)，可以復(fù)制，通過參數(shù)來傳遞。
至此，我們講過的智能指針有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。這幾個(gè)智能指針已經(jīng)基本夠我們使用了，90% 的使用過標(biāo)準(zhǔn)智能指針的代碼就這 5 種。可如下還有兩種智能指針，它們肯定有用，但有什么用處呢，一起看看吧。
7、boost::weak_ptr boost::weak_ptr 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 在講 boost::weak_ptr 之前，讓我們先回顧一下前面講解的內(nèi)容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 這兩個(gè)智能指針就可以解決所有單個(gè)對(duì)象內(nèi)存的管理了，這兒還多出一個(gè) boost::weak_ptr，是否還有某些情況我們沒納入考慮呢？ 回答：有。首先 boost::weak_ptr 是專門為 boost::shared_ptr 而準(zhǔn)備的。有時(shí)候，我們只關(guān)心能否使用對(duì)象，并不關(guān)心內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的觀察者（Observer）對(duì)象，觀察者意味著 boost::weak_ptr 只對(duì) boost::shared_ptr 進(jìn)行引用，而不改變其引用計(jì)數(shù)，當(dāng)被觀察的 boost::shared_ptr 失效后，相應(yīng)的 boost::weak_ptr 也相應(yīng)失效。 我們還是從代碼開始分析： void TestWeakPtr() { boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak; boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; my_memory_weak = my_memory; std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; } 執(zhí)行結(jié)果為： Simple: 1 TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1 TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1 ~Simple: 1 我們看到，盡管被賦值了，內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)并沒有什么變化，當(dāng)然，讀者也可以試試傳遞參數(shù)等其他情況。 現(xiàn)在要說的問題是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？從上面那個(gè)例子看來，似乎沒有任何作用，其實(shí) boost::weak_ptr 主要用在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以在基類（此處的基類并非抽象基類，而是指繼承于抽象基類的虛基類）中定義一個(gè) boost::weak_ptr，用于指向子類的 boost::shared_ptr，這樣基類僅僅觀察自己的 boost::weak_ptr 是否為空就知道子類有沒對(duì)自己賦值了，而不用影響子類 boost::shared_ptr 的引用計(jì)數(shù)，用以降低復(fù)雜度，更好的管理對(duì)象。
8、boost::intrusive_ptr boost::intrusive_ptr屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 講完如上 6 種智能指針后，對(duì)于一般程序來說 C++ 堆內(nèi)存管理就夠用了，現(xiàn)在有多了一種 boost::intrusive_ptr，這是一種插入式的智能指針，內(nèi)部不含有引用計(jì)數(shù)，需要程序員自己加入引用計(jì)數(shù)，不然編譯不過（⊙﹏⊙b汗）。個(gè)人感覺這個(gè)智能指針沒太大用處，至少我沒用過。有興趣的朋友自己研究一下源代碼哦J。
三、總結(jié) 如上講了這么多智能指針，有必要對(duì)這些智能指針做個(gè)總結(jié)： 1、在可以使用 boost 庫的場合下，拒絕使用 std::auto_ptr，因?yàn)槠洳粌H不符合 C++ 編程思想，而且極容易出錯(cuò)[2]。 2、在確定對(duì)象無需共享的情況下，使用 boost::scoped_ptr（當(dāng)然動(dòng)態(tài)數(shù)組使用 boost::scoped_array）。 3、在對(duì)象需要共享的情況下，使用 boost::shared_ptr（當(dāng)然動(dòng)態(tài)數(shù)組使用 boost::shared_array）。 4、在需要訪問 boost::shared_ptr 對(duì)象，而又不想改變其引用計(jì)數(shù)的情況下，使用 boost::weak_ptr，一般常用于軟件框架設(shè)計(jì)中。 5、最后一點(diǎn)，也是要求最苛刻一點(diǎn)：在你的代碼中，不要出現(xiàn) delete 關(guān)鍵字（或 C 語言的 free 函數(shù)），因?yàn)榭梢杂弥悄苤羔樔ス芾怼?span lang=EN-US>
--------------------------------------- [1]參見《effective C++（3rd）》，條款06 。 [2]關(guān)于 boost 庫的使用，可本博客另外一篇文章：《在 Windows 中編譯 boost1.42.0》。 [3]讀者應(yīng)該看到了，在我所有的名字前，都加了命名空間標(biāo)識(shí)符std::（或boost::），這不是我不想寫 using namespace XXX 之類的語句，在大型項(xiàng)目中，有可能會(huì)用到 N 個(gè)第三方庫，如果把命名空間全放出來，命名污染（Naming conflicts）問題很難避免，到時(shí)要改回來是極端麻煩的事情。當(dāng)然，如果你只是寫 Demo，可以例外。 |
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