C++ 智能指針詳解

一、簡介

由於 C++ 語言沒有自動內存回收機制，程序員每次 new 出來的內存都要手動 delete。程序員忘記 delete，流程太復雜，最終導致沒有 delete，異常導致程序過早退出，沒有執行 delete 的情況並不罕見。

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？看完這篇文章後，我想你心裏自然會有答案。

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

對於編譯器來說，智能指針實際上是一個棧對象，並非指針類型，在棧對象生命期即將結束時，智能指針通過析構函數釋放有它管理的堆內存。所有智能指針都重載了“operator->”操作符，直接返回對象的引用，用以操作對象。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。由於智能指針是一個對象，所以if (my_smart_object)永遠為真，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（或者傳遞 NULL），則智能指針會釋放當前管理的內存。如果傳遞一個對象，則智能指針會釋放當前對象，來管理新傳入的對象。

我們編寫一個測試類來輔助分析：

 1 class Simple {
 2 
 3  public:
 4 
 5   Simple(int param = 0) {
 6 
 7     number = param;
 8 
 9     std::cout << "Simple: " << number << std::endl; 
10 
11   }
12 
13  
14 
15   ~Simple() {
16 
17     std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
 
18 
19   }
20 
21  
22 
23   void PrintSomething() {
24 
25     std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
26 
27   }
28 
29  
30 
31   std::string info_extend;
32 
33   int number;
34 
35 };

2、std::auto_ptr

std::auto_ptr 屬於 STL，當然在 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堆內存對象。

我們從代碼開始分析：

 1 void TestAutoPtr() {
 2 std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 創建對象，輸出：Simple：1
 3 if (my_memory.get()) {                            // 判斷智能指針是否為空
 4 my_memory->PrintSomething();                    // 使用 operator-> 調用智能指針對象中的函數
 5 my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指針，然後給內部對象賦值
 6 my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述賦值成功
 7 (*my_memory).info_extend += " other";           // 使用 operator* 返回智能指針內部對象，然後用“.”調用智能指針對象中的函數
 8 my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述賦值成功
 9   }
10 }                                                   // my_memory 棧對象即將結束生命期，析構堆對象 Simple(1)

執行結果為：

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。

其實好景不長，我們看看如下的另一個例子：

 1 void TestAutoPtr2() {
 2 
 3   std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
 4 
 5   if (my_memory.get()) {
 6 
 7     std::auto_ptr<Simple> my_memory2;   // 創建一個新的 my_memory2 對象
 8 
 9     my_memory2 = my_memory;             // 復制舊的 my_memory 給 my_memory2
10 
11     my_memory2->PrintSomething();       // 輸出信息，復制成功
12 
13     my_memory->PrintSomething();        // 崩潰
14 
15   }
16 
17 }

最終如上代碼導致崩潰，如上代碼時絕對符合 C++ 編程思想的，居然崩潰了，跟進 std::auto_ptr 的源碼後，我們看到，罪魁禍首是“my_memory2 = my_memory”，這行代碼，my_memory2 完全奪取了 my_memory 的內存管理所有權，導致 my_memory 懸空，最後使用時導致崩潰。

所以，使用 std::auto_ptr 時，絕對不能使用“operator=”操作符。作為一個庫，不允許用戶使用，確沒有明確拒絕[1]，多少會覺得有點出乎預料。

看完 std::auto_ptr 好景不長的第一個例子後，讓我們再來看一個：

void TestAutoPtr3() {

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

 

  if (my_memory.get()) {

    my_memory.release();

  }

}

執行結果為：

Simple: 1

看到什麽異常了嗎？我們創建出來的對象沒有被析構，沒有輸出“~Simple: 1”，導致內存泄露。當我們不想讓 my_memory 繼續生存下去，我們調用 release() 函數釋放內存，結果卻導致內存泄露（在內存受限系統中，如果my_memory占用太多內存，我們會考慮在使用完成後，立刻歸還，而不是等到 my_memory 結束生命期後才歸還）。

正確的代碼應該為：

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 內部管理的內存

  }

}

原來 std::auto_ptr 的 release() 函數只是讓出內存所有權，這顯然也不符合 C++ 編程思想。

總結：std::auto_ptr 可用來管理單個對象的對內存，但是，請註意如下幾點：

（1） 盡量不要使用“operator=”。如果使用了，請不要再使用先前對象。

（2） 記住 release() 函數不會釋放對象，僅僅歸還所有權。

（3） std::auto_ptr 最好不要當成參數傳遞（讀者可以自行寫代碼確定為什麽不能）。

（4） 由於 std::auto_ptr 的“operator=”問題，有其管理的對象不能放入 std::vector 等容器中。

（5） ……

使用一個 std::auto_ptr 的限制還真多，還不能用來管理堆內存數組，這應該是你目前在想的事情吧，我也覺得限制挺多的，哪天一個不小心，就導致問題了。

由於 std::auto_ptr 引發了諸多問題，一些設計並不是非常符合 C++ 編程思想，所以引發了下面 boost 的智能指針，boost 智能指針可以解決如上問題。

讓我們繼續向下看。

3、boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 屬於 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堆內存對象，特別的是，boost::scoped_ptr 獨享所有權，避免了 std::auto_ptr 惱人的幾個問題。

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

    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;

    my_memory2 = my_memory;        // 編譯 error: scoped_ptr 沒有重載 operator=，不會導致所有權轉移

  }

}

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，不會導致先前的內存泄露問題。其次，由於 boost::scoped_ptr 是獨享所有權的，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 幾個惱人的問題。

由於 boost::scoped_ptr 獨享所有權，當我們真真需要復制智能指針時，需求便滿足不了了，如此我們再引入一個智能指針，專門用於處理復制，參數傳遞的情況，這便是如下的 boost::shared_ptr。

4、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 屬於 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 獨享所有權，不允許賦值、拷貝，boost::shared_ptr 是專門用於共享所有權的，由於要共享所有權，其在內部使用了引用計數。boost::shared_ptr 也是用於管理單個堆內存對象的。

我們還是從代碼開始分析：

 1 void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) {  // 註意：無需使用 reference (或 const reference)
 2 
 3   memory->PrintSomething();
 4 
 5   std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
 6 
 7 }
 8 
 9  
10 
11 void TestSharedPtr2() {
12 
13   boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
14 
15   if (my_memory.get()) {
16 
17     my_memory->PrintSomething();
18 
19     my_memory.get()->info_extend = "Addition";
20 
21     my_memory->PrintSomething();
22 
23     (*my_memory).info_extend += " other";
24 
25     my_memory->PrintSomething();
26 
27   }
28 
29  
30 
31   std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
32 
33   TestSharedPtr(my_memory);
34 
35   std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
36 
37  
38 
39   //my_memory.release();// 編譯 error: 同樣，shared_ptr 也沒有 release 函數
40 
41 }

執行結果為：

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。並且沒有 release() 函數。關鍵的一點，boost::shared_ptr 內部維護了一個引用計數，由此可以支持復制、參數傳遞等。boost::shared_ptr 提供了一個函數 use_count() ，此函數返回 boost::shared_ptr 內部的引用計數。查看執行結果，我們可以看到在 TestSharedPtr2 函數中，引用計數為 1，傳遞參數後（此處進行了一次復制），在函數TestSharedPtr 內部，引用計數為2，在 TestSharedPtr 返回後，引用計數又降低為 1。當我們需要使用一個共享對象的時候，boost::shared_ptr 是再好不過的了。

在此，我們已經看完單個對象的智能指針管理，關於智能指針管理數組，我們接下來講到。

5、boost::scoped_array

boost::scoped_array 屬於 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 便是用於管理動態數組的。跟 boost::scoped_ptr 一樣，也是獨享所有權的。

我們還是從代碼開始分析：

 1 void TestScopedArray() {
 2 
 3       boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用內存數組來初始化
 4 
 5       if (my_memory.get()) {
 6 
 7         my_memory[0].PrintSomething();
 8 
 9         my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
10 
11         my_memory[0].PrintSomething();
12 
13         (*my_memory)[0].info_extend += " other";            // 編譯 error，scoped_ptr 沒有重載 operator*
14 
15         my_memory[0].release();                             // 同上，沒有 release 函數
16 
17         boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
18 
19         my_memory2 = my_memory;                             // 編譯 error，同上，沒有重載 operator=
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21       }
22 
23     }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持復制，並且初始化的時候需要使用動態數組。另外，boost::scoped_array 沒有重載“operator*”，其實這並無大礙，一般情況下，我們使用 get() 函數更明確些。

下面肯定應該講 boost::shared_array 了，一個用引用計數解決復制、參數傳遞的智能指針類。

6、boost::shared_array

boost::shared_array 屬於 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

由於 boost::scoped_array 獨享所有權，顯然在很多情況下（參數傳遞、對象賦值等）不滿足需求，由此我們引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一樣，內部使用了引用計數。

我們還是從代碼開始分析：

 1 void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 註意：無需使用 reference (或 const reference)
 2 
 3   std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
 4 
 5 }
 6 
 7  
 8 
 9 void TestSharedArray2() {
10 
11   boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
12 
13   if (my_memory.get()) {
14 
15     my_memory[0].PrintSomething();
16 
17     my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
18 
19     my_memory[0].PrintSomething();
20 
21     my_memory[1].PrintSomething();
22 
23     my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
24 
25     my_memory[1].PrintSomething();
26 
27     //(*my_memory)[0].info_extend += " other";  // 編譯 error，scoped_ptr 沒有重載 operator*
28 
29   }
30 
31   std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
32 
33   TestSharedArray(my_memory);
34 
35   std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
36 
37 }

執行結果為：

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，使用了引用計數，可以復制，通過參數來傳遞。

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。這幾個智能指針已經基本夠我們使用了，90% 的使用過標準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，但有什麽用處呢，一起看看吧。

7、boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 屬於 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容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 這兩個智能指針就可以解決所有單個對象內存的管理了，這兒還多出一個 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 而準備的。有時候，我們只關心能否使用對象，並不關心內部的引用計數。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的觀察者（Observer）對象，觀察者意味著 boost::weak_ptr 只對 boost::shared_ptr 進行引用，而不改變其引用計數，當被觀察的 boost::shared_ptr 失效後，相應的 boost::weak_ptr 也相應失效。

我們還是從代碼開始分析：

 1 void TestWeakPtr() {
 2 
 3       boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
 4 
 5       boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
 6 
 7  
 8 
 9       std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
10 
11       my_memory_weak = my_memory;
12 
13       std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
14 
15 }

執行結果為：

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，內部的引用計數並沒有什麽變化，當然，讀者也可以試試傳遞參數等其他情況。

現在要說的問題是，boost::weak_ptr 到底有什麽作用呢？從上面那個例子看來，似乎沒有任何作用，其實 boost::weak_ptr 主要用在軟件架構設計中，可以在基類（此處的基類並非抽象基類，而是指繼承於抽象基類的虛基類）中定義一個 boost::weak_ptr，用於指向子類的 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自己賦值了，而不用影響子類 boost::shared_ptr 的引用計數，用以降低復雜度，更好的管理對象。

8、boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr屬於 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 種智能指針後，對於一般程序來說 C++ 堆內存管理就夠用了，現在有多了一種 boost::intrusive_ptr，這是一種插入式的智能指針，內部不含有引用計數，需要程序員自己加入引用計數，不然編譯不過（⊙﹏⊙b汗）。個人感覺這個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

如上講了這麽多智能指針，有必要對這些智能指針做個總結：

1、在可以使用 boost 庫的場合下，拒絕使用 std::auto_ptr，因為其不僅不符合 C++ 編程思想，而且極容易出錯[2]。

2、在確定對象無需共享的情況下，使用 boost::scoped_ptr（當然動態數組使用 boost::scoped_array）。

3、在對象需要共享的情況下，使用 boost::shared_ptr（當然動態數組使用 boost::shared_array）。

4、在需要訪問 boost::shared_ptr 對象，而又不想改變其引用計數的情況下，使用 boost::weak_ptr，一般常用於軟件框架設計中。

5、最後一點，也是要求最苛刻一點：在你的代碼中，不要出現 delete 關鍵字（或 C 語言的 free 函數），因為可以用智能指針去管理。

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[1]參見《effective C++（3rd）》，條款06 。

[2]關於 boost 庫的使用，可本博客另外一篇文章：《在 Windows 中編譯 boost1.42.0》。

[3]讀者應該看到了，在我所有的名字前，都加了命名空間標識符std::（或boost::），這不是我不想寫 using namespace XXX 之類的語句，在大型項目中，有可能會用到 N 個第三方庫，如果把命名空間全放出來，命名汙染（Naming conflicts）問題很難避免，到時要改回來是極端麻煩的事情。當然，如果你只是寫 Demo，可以例外。

轉自：http://blog.csdn.net/xt_xiaotian/article/details/5714477

C++ 智能指針詳解（轉）