C++11智能指針詳解

1、智能指針原由

　　在C++中，動態內存的管理是由程序員本身申請和釋放的，用一對運算符完成：new和delete。

　　new：在動態內存中爲對象分配一塊空間並返回一個指向該對象的指針；

　　delete：指向一個動態獨享的指針，銷燬對象，並釋放與之關聯的內存。

　　使用堆內存是很是頻繁的操做，容易形成堆內存泄露、二次釋放等問題，爲了更加容易和更加安全的使用動態內存，C++11中引入了智能指針的概念，方便管理堆內存，使得自動、異常安全的對象生存期管理可行。智能指針主要思想是RAII思想，「使用對象管理資源」，在類的構造函數中獲取資源，在類的析構函數中釋放資源。智能指針的行爲相似常規指針，重要的區別是它負責自動釋放所指向的對象。

　　RAII是Resource Acquisition Is Initialization的簡稱，即資源獲取就是初始化：

　　1.定義一個類來封裝資源的分配與釋放；

　　2.構造函數中完成資源的分配及初始化；

　　3.析構函數中完成資源的清理，能夠保證資源的正確初始化和釋放；

　　4.若是對象是用聲明的方式在棧上建立局部對象，那麼RAII機制就會正常工做，當離開做用域對象會自動銷燬而調用析構函數釋放資源。

2、智能指針類型

　　智能指針在C++11版本以後提供，包含在頭文件<memory>中，標準命名std空間下，有auto_ptr、shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr四種，其中auto_ptr已被棄用。

　　auto_ptr：擁有嚴格對象全部權語義的智能指針；

　　shared_ptr：擁有共享對象全部權語義的智能指針；

　　weak_ptr：到 shared_ptr 所管理對象的弱引用；

　　unique_ptr：擁有獨有對象全部權語義的智能指針。

2.1 auto_ptr

　　auto_ptr是經過由 new 表達式得到的對象，並在auto_ptr自身被銷燬時刪除該對象的智能指針，它可用於爲動態分配的對象提供異常安全、傳遞動態分配對象的全部權給函數和從函數返回動態分配的對象，是一個輕量級的智能指針，適合用來管理生命週期比較短或者不會被遠距離傳遞的動態對象，最好是侷限於某個函數內部或者是某個類的內部。

　　聲明：

　　template< class T > class auto_ptr;

　　template<> class auto_ptr<void>;  // 對類型void特化　　

　　成員函數：

　　(1) get： 得到內部對象的指針；

　　(2) release：釋放被管理對象的全部權，將內部指針置爲空，返回內部對象的指針，此指針須要手動釋放；

　　(3) reset：銷燬內部對象並接受新的對象的全部權；

　　(4) operator=：從另外一auto_ptr轉移全部權；

　　(5) operator*和operator->：訪問被管理對象。

　　注意事項：

　　(1) 其構造函數被聲明爲explicit，所以不能使用賦值運算符對其賦值，即不能使用相似這樣的形式 auto_ptr<int> p = new int；

　　(2) auto_ptr 的對象全部權是獨佔性的，使用拷貝構造和賦值操做符時，會形成對象全部權的轉移，被拷貝對象在拷貝過程當中被修改；

　　(3) 基於第二條，所以不能將auto_ptr放入到標準容器中或做爲容器的成員；

　　(4) auto_ptr不能指向數組，釋放時沒法肯定是數組指針仍是普通指針；

　　(5) 不能把一個原生指針交給兩個智能指針對象管理，對其它智能指針也是如此。

　　auto_ptr是最先期的智能指針，在C++11 中已被棄用，C++17 中移除，建議使用unique_ptr代替auto_ptr。

　　簡單實現：

 1 template<class T>
 2 class AutoPointer
 3 {
 4 public:
 5     AutoPointer(T* ptr)
 6       :mPointer(ptr){}
 7 
 8     AutoPointer(AutoPointer<T>& other)
 9     {
10         mPointer= other.mPointer;  //管理權進行轉移
11         other.mPointer= NULL;
12     }
13 
14     AutoPointer& operator = (AutoPointer<T>& other)
15     {
16         if(this != &other)
17         {
18             delete mPointer;
19             mPointer = other.mPointer;  //管理權進行轉移
20             other.mPointer= NULL;
21         }
22 
23         return *this;
24     }
25 
26     ~AutoPointer()
27     {
28         delete mPointer;
29     }
30 
31     T& operator * ()
32     {
33         return *mPointer;
34     }
35 
36     T* operator -> ()
37     {
38         return mPointer;
39     }
40 
41 private:
42 
43     T* mPointer;
44 };

2.2 shared_ptr

　　shared_ptr多個指針指向相同的對象，也叫共享指針。shared_ptr採用了引用計數的方式，更好地解決了賦值與拷貝的問題，每個shared_ptr的拷貝都指向相同的內存，每拷貝一次內部的引用計數加1，每析構一次內部的引用計數減1，爲0時自動刪除所指向的堆內存。shared_ptr內部的引用計數是線程安全的，可是對象的讀取時須要加鎖。

聲明：

　　template< class T > class shared_ptr;　

　　成員函數：

　　(1) get： 得到內部對象的指針；

　　(2) swap：交換所管理的對象；

　　(3) reset：替換所管理的對象；

　　(4) use_count：返回shared_ptr所指對象的引用計數；

　　(5) operator*和operator->：解引用存儲的對象指針；

　　(6) operator=：對shared_ptr賦值；

　　(7) operator bool：檢查是否有關聯的管理對象；

　　(8) owner_before：提供基於擁有者的共享指針排序。

　　交換： std::swap(std::shared_ptr) 特化的swap算法用於交換兩個智能指針。

　　初始化：經過構造函數傳入指針初始化，也可使用std::make_shared 或 std::allocate_shared 函數初始化。

　　注意事項：

　　(1) 不能將指針直接賦值給一個智能指針，一個是類，一個是指針。不能使用相似這樣的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 避免循環引用，這是shared_ptr的一個最大陷阱，致使內存泄漏，這一點在weak_ptr中將獲得完善；

　　(3) 管理數組指針時，須要制定Deleter以使用delete[]操做符銷燬內存，shared_ptr並無針對數組的特化版本；

　　(4) 不能把一個原生指針交給兩個智能指針對象管理，對其它智能指針也是如此。

　　簡單實現：

 1 template <typename T>
 2 class SharedPointer
 3 {
 4 private:
 5     
 6     class Implement
 7     {
 8     public:
 9         Implement(T* p) : mPointer(p), mRefs(1){}
10         ~Implement(){ delete mPointer;}
11         
12         T* mPointer;  //實際指針
13         size_t mRefs;  // 引用計數
14     };
15     
16     Implement* mImplPtr;
17     
18 public:
19     
20     explicit SharedPointer(T* p)
21       : mImplPtr(new Implement(p)){}
22         
23     ~SharedPointer()
24     {
25         decrease();  // 計數遞減
26     }
27     
28     SharedPointer(const SharedPointer& other)
29       : mImplPtr(other.mImplPtr)
30     {
31         increase();  // 計數遞增
32     }
33     
34     SharedPointer& operator = (const SharedPointer& other)
35     {
36         if(mImplPtr != other.mImplPtr)  // 避免自賦值
37         {
38             decrease();
39             mImplPtr = other.mImplPtr;
40             increase();
41         }
42         
43         return *this;
44     }
45     
46     T* operator -> () const
47     {
48         return mImplPtr->mPointer;
49     }
50     
51     T& operator * () const
52     {
53         return *(mImplPtr->mPointer);
54     }
55     
56 private:
57     
58     void decrease()
59     {
60         if(--(mImplPtr->mRefs) == 0)
61         {
62             delete mImplPtr;
63         }
64     }
65     
66     void increase()
67     {
68         ++(mImplPtr->mRefs);
69     }
70 };

2.3 weak_ptr

　　weak_ptr是爲了配合shared_ptr而引入的一種智能指針，用於專門解決shared_ptr循環引用的問題，由於它不具備普通指針的行爲，沒有重載operator * 和 ->，它的最大做用在於協助shared_ptr工做，像旁觀者那樣觀測資源的使用狀況。weak_ptr能夠從一個shared_ptr或者另外一個weak_ptr對象構造，得到資源的觀測權。但weak_ptr沒有共享資源，它的構造不會引發指針引用計數的增長。weak_ptr可使用一個很是重要的成員函數lock()，從被觀測的shared_ptr得到一個可用的shared_ptr對象，從而操做資源。

　　聲明：

　　template< class T > class weak_ptr;　

　　成員函數：

　　(1) swap：交換所管理的對象；

　　(2) reset：替換所管理的對象；

　　(3) use_count：返回shared_ptr所指對象的引用計數；

　　(4) operator=：對shared_ptr賦值；

　　(5) expired：檢查被引用的對象是否已刪除；

　　(6) owner_before：提供基於擁有者的共享指針排序；

　　(7) lock：建立管理被引用的對象的shared_ptr。

　　交換：std::swap(std::weak_ptr) 特化的swap算法用於交換兩個智能指針。

　　注意事項：

　　(1) 不能將指針直接賦值給一個智能指針，一個是類，一個是指針。不能使用相似這樣的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 不能把一個原生指針交給兩個智能指針對象管理，對其它智能指針也是如此。

　　簡單實現：weak_ptr的典型實現存儲二個指針，即指向控制塊的指針和做爲構造來源的shared_ptr的存儲指針。

　　如下是VC的源碼實現：

 1 template<class _Ty>
 2 class weak_ptr
 3     : public _Ptr_base<_Ty>
 4 {    // class for pointer to reference counted resource
 5     typedef typename _Ptr_base<_Ty>::_Elem _Elem;
 6 
 7 public:
 8     weak_ptr()
 9     {    // construct empty weak_ptr object
10     }
11 
12     template<class _Ty2>
13     weak_ptr(const shared_ptr<_Ty2>& _Other,
14         typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
15         void *>::type * = 0)
16     {    // construct weak_ptr object for resource owned by _Other
17         this->_Resetw(_Other);
18     }
19 
20     weak_ptr(const weak_ptr& _Other)
21     {    // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
22         this->_Resetw(_Other);
23     }
24 
25     template<class _Ty2>
26     weak_ptr(const weak_ptr<_Ty2>& _Other,
27         typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
28         void *>::type * = 0)
29     {    // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
30         this->_Resetw(_Other);
31     }
32 
33     ~weak_ptr()
34     {    // release resource
35         this->_Decwref();
36     }
37 
38     weak_ptr& operator=(const weak_ptr& _Right)
39     {    // assign from _Right
40         this->_Resetw(_Right);
41         return (*this);
42     }
43 
44     template<class _Ty2>
45     weak_ptr& operator=(const weak_ptr<_Ty2>& _Right)
46     {    // assign from _Right
47         this->_Resetw(_Right);
48         return (*this);
49     }
50 
51     template<class _Ty2>
52     weak_ptr& operator=(shared_ptr<_Ty2>& _Right)
53     {    // assign from _Right
54         this->_Resetw(_Right);
55         return (*this);
56     }
57 
58     void reset()
59     {    // release resource, convert to null weak_ptr object
60         this->_Resetw();
61     }
62 
63     void swap(weak_ptr& _Other)
64     {    // swap pointers
65         this->_Swap(_Other);
66     }
67 
68     bool expired() const
69     {    // return true if resource no longer exists
70         return (this->_Expired());
71     }
72 
73     shared_ptr<_Ty> lock() const
74     {    // convert to shared_ptr
75         return (shared_ptr<_Elem>(*this, false));
76     }
77 };

 

2.4 unique_ptr

　　unique_ptr實際上至關於一個安全性加強了的auto_ptr。unique_ptr是經過指針佔有並管理另外一對象，並在unique_ptr離開做用域時釋放該對象的智能指針。unique_ptr的使用標誌着控制權的轉移，同一時刻只能有一個unique_ptr指向給定對象，經過禁止拷貝語義、只有移動語義來實現。相比與原始指針unique_ptr用於其RAII的特性，使得在出現異常的狀況下，動態資源能獲得釋放。

　　聲明：

　　template< class T, class Deleter = std::default_delete<T> > class unique_ptr;

　　template< class T, class Deleter> class unique_ptr<T[], Deleter>;  // 管理數組指針

　　成員函數：

　　(1) get： 返回指向被管理對象的指針；

　　(2) get_deleter：返回用於析構被管理對象7的刪除器；

　　(3) swap：交換所管理的對象；

　　(4) reset：替換所管理的對象；

　　(5) release：返回一個指向被管理對象的指針，並釋放全部權；

　　(6) operator bool：檢查是否有關聯的被管理對象；

　　(7) operator=：爲unique_ptr賦值；

　　(8) operator*和operator->：解引用存儲的對象指針。

　　注意事項：

　　(1) 不能將指針直接賦值給一個智能指針，一個是類，一個是指針。不能使用相似這樣的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 不能把一個原生指針交給兩個智能指針對象管理，對其它智能指針也是如此。

　　簡單實現：

  1 //default deleter for unique_ptr
  2 template<typename T>
  3 struct DefaultDeleter
  4 {
  5     void operator () (T *p)
  6     {
  7         if(p)
  8         {
  9             delete p;
 10             p = NULL;
 11         }
 12     }
 13 };
 14 
 15 template<typename T, typename Deleter = DefaultDeleter<T>>
 16 class unique_ptr
 17 {
 18 public:
 19 
 20     // construct 
 21     unique_ptr(T *pT = NULL);
 22 
 23     // destroy
 24     ~unique_ptr();
 25 
 26 private:
 27 
 28     // not allow copyable
 29     unique_ptr(const unique_ptr &);
 30 
 31     unique_ptr&operator=(const unique_ptr &);
 32 
 33 public:
 34 
 35     // reset 
 36     void reset(T *p);
 37 
 38     // release the own of the pointer
 39     T* release();
 40 
 41     // get the pointer
 42     T* get();
 43 
 44     // convert unique_ptr to bool
 45     operator bool() const;
 46 
 47     // overload for operator *
 48     T& operator * ();
 49 
 50     // overload for operator ->
 51     T* operator -> ();
 52 
 53 private:
 54 
 55     T *m_pT;  //pointer
 56     
 57     Deleter m_deleter;  //deleter
 58     
 59     void del();  //call deleter
 60 };
 61 
 62 
 63 template<typename T, typename Deleter>
 64  unique_ptr<T, Deleter>::unique_ptr(T *pT) :m_pT(pT)
 65 {
 66 
 67 }
 68 
 69 template<typename T, typename Deleter>
 70  unique_ptr<T, Deleter>::~unique_ptr()
 71 {
 72     del();
 73 }
 74 
 75 template<typename T, typename Deleter>
 76  void unique_ptr<T, Deleter>::del()
 77 {
 78     if(*this)
 79     {
 80         m_deleter(m_pT);
 81         m_pT = NULL;
 82     }
 83 }
 84 
 85 template<typename T, typename Deleter>
 86  T* unique_ptr<T, Deleter>::get()
 87 {
 88     return m_pT;
 89 }
 90 
 91 template<typename T, typename Deleter>
 92  void unique_ptr<T, Deleter>::reset(T *p)
 93 {
 94     del();
 95     m_pT = p;
 96 }
 97 
 98 template<typename T, typename Deleter>
 99  T* unique_ptr<T, Deleter>::release()
100 {
101     T *p = m_pT;
102     m_pT = NULL;
103     return p;
104 }
105 
106 template<typename T, typename Deleter>
107  unique_ptr<T, Deleter>::operator bool() const
108 {
109     return NULL != m_pT;
110 }
111 
112 template<typename T, typename Deleter>
113  T& unique_ptr<T, Deleter>::operator * ()
114 { 
115     return *m_pT;
116 }
117 
118 template<typename T, typename Deleter>
119  T* unique_ptr<T, Deleter>::operator -> ()
120 {
121     return m_pT;
122 }

3、總結

　　智能指針就是模擬指針動做的類，通常智能指針都會重載 -> 和 * 操做符。智能指針主要做用是管理動態內存的釋放。

　　1.不要使用std::auto_ptr；

　　2.當你須要一個獨佔資源全部權的指針，且不容許任何外界訪問，請使用std::unique_ptr；

　　3.當你須要一個共享資源全部權的指針，請使用std::shared_ptr；

　　4.當你須要一個能訪問資源，但不控制其生命週期的指針，請使用std::weak_ptr；

　　5.不能把一個原生指針交給兩個智能指針對象管理。

 

參考：

https://zh.cppreference.com/w/cpp/memory

https://blog.csdn.net/zhangye3017/article/details/80429780

做者：KeepHopes
出處：http://www.javashuo.com/article/p-kqmhmutu-gm.html
關於做者：專一C++，對大數據、人工智能領域頗感興趣，請多多賜教！
本文爲做者原創，版權歸做者和博客園共有，轉載或引用請註明出處，謝謝！