[C++11新特性] 智能指针详解

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动态内存的使用很容易出问题，因为确保在正确的时间释放内存是极为困难的。有时我们会忘记释放内存产生内存泄漏，有时提前释放了内存，再使用指针去引用内存就会报错。

为了更容易（同时也更安全）地使用动态内存，新的标准库提供了两种智能指针类型来管理动态对象。智能指针的行为类似常规指针，区别在于它负责自动释放所指向的对象。这两种智能指针的区别在于管理底层指针的方式：shared_ptr允许多个shared_ptr类型指针指向同一个对象；unique_ptr则“独占”所指向的对象。标准库还定义了一个名为weak_ptr的伴随类，它是一种弱引用，指向shared_ptr所管理的对象。这三种类型都定义在memory头文件中。

1 shared_ptr 类

类似vector，智能指针也是模板。因此，当定义智能指针时，必须在尖括号内给出类型，如下所示：

shared_ptr<string> p1; // shared_ptr，可以指向string类型的对象
shared_ptr<list<int>> p1; // shared_ptr，可以指向int类型的list的对象

默认初始化的智能指针中保存着一个空指针。智能指针的使用方式与普通指针类似，解引用一个智能指针返回它指向的对象。

下面列出了 shared_ptr 和 unique_ptr 都支持的操作。

shared_ptr<T> sp //空shared_ptr智能指针，可以指向类型为T的对象
unique_ptr<T> up //空unique_ptr智能指针，可以指向类型为T的对象
p //将p用作一个条件判断，若p指向一个对象，则为ture
*p //解引用p，获得它指向的对象
p->mem //等价于(*p).mem
p.get() //返回p中保存的指针
swap(p,q) //交换p和q中的指针
p.swap(q)

下面列出了 shared_ptr 独有的操作。

make_shared<T>(args) //返回一个shared_ptr，指向一个动态分配的类型为T的对象。使用args初始化此对象
shared_ptr<T> p(q) //p是shared_ptr q的拷贝；此操作会递增q中的引用计数。q中的指针必须能转换成T*
p = q //p和q都是shared_ptr，所保存的指针必须能相互转换。此操作会递减p中的引用计数，递增q中的引用计数。若p中的引用计数变为0，则将其管理的原内存释放
p.unique() //若p.use_count()为1，返回true；否则返回false
p.use_count() //返回与p共享对象的智能指针数量；可能很慢，主要用于调试

下面介绍一些改变 shared_ptr 的其他方法：

p.reset () //若p是唯一指向其对象的shared_ptr，reset会释放此对象。
p.reset(q) //若传递了可选的参数内置指针q，会令P指向q，否则会将P置为空。
p.reset(q, d) //若还传递了参数d,将会调用d而不是delete 来释放q

make_shared函数

最安全的分配和使用动态内存的方法是调用一个名为make_shared的标准库函数。 此函数在动态内存中分配一个对象并初始化它，返回指向此对象的shared_ptr。与智能指针一样，make_shared也定义在头文件memory中。

当要用make_shared时，必须指定想要创建的对象的类型。定义方式与模板类相同， 在函数名之后跟一个尖括号，在其中给出类型：

//指向一个值为42的int的shared_ptr
shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>(42);
//p4 指向一个值为"9999999999"的string
shared_ptr<string> p4 = make_shared<string>(10,'9');
//p5指向一个值初始化的int
shared_ptr<int> p5 = make_shared<int>();

当然，我们通常用auto定义一个对象来保存make_shared的结果，这种方式较为简单：

//p6指向一个动态分配的空vector<string>
auto p6 = make_shared<vector>();

shared_ptr的拷贝和赋值

我们可以认为每个shared_ptr都有一个关联的计数器，通常称其为引用计数（reference count）。无论何时我们拷贝一个shared_ptr，例如，当用一个 shared_ptr初始化另一个shared_ptr，或将它作为参数传递给一个函数以及作为函数的返回值时，它所关联的引用计数就会递增。而当我们给shared_ptr赋予一个新值或者shared_ptr被销毁时，引用计数就会递减。

一旦一个shared_ptr的计数器变为0，它就会自动释放自己所管理的对象：

auto p = make_shared<int> (42); //p指向的对象只有p一个引用者 
auto q(p); //p和q指向相同对象，此对象有两个引用者
auto r = make_shared<int> (42); //r指向的int只有一个
r = q; //给r赋值，令它指向另一个地址
       //递增q指向的对象的引用计数
       //递减r原来指向的对象的引用计数
       //r原来指向的对象已没有引用者，会自动释放

此例中我们分配了一个int，将其指针保存在r中。接下来，我们将一个新值赋予r。在此情况下，r是唯一指向此int的shared_ptr，在把q赋给r的过程中，此int被自动释放。

shared_ptr自动销毀所管理的对象……

当指向一个对象的最后一个shared_ptr被销毁时，Shared_ptr类会自动销毁此 对象。它是通过另一个特殊的成员函数——析构函数完成销毁工作的。shared_ptr的析构函数会递减它所指向的对象的引用计数。如果引用计数变为0,
shared_ptr的析构函数就会销毁对象，并释放它占用的内存。

shared_ptr和new结合使用

我们还可以用new返回的指针来初始化智能指针，如下所示：

shared_ptr<int> p2(new int (42)); //p2 指向一个值为 42 的 int

接受指针参数的智能指针构造函数是explicit的。因此，我们不能将一个内置指针隐式转换为一个智能指针，必须使用直接初始化形式来初始化一个智能指针：

shared_ptr<int> pi = new int (1024); //错误：必须使用直接初始化形式
shared_ptr<int> p2(new int(1024));  //正确：使用了直接初始化形式

出于相同的原因，一个返回shared_ptr的函数不能在其返回语句中隐式转换一个普通指针：

shared_ptr<int> clone(int p)
{
    return new int(p); //错误：隐式转换为 shared_ptr<int>
}

我们必须将shared_ptr显式绑定到一个想要返回的指针上：

shared_ptr<int> clone(int p)
{
    return shared_ptr<int>(new int(p)); //正确：显式地用int*创建shared_ptr<int>
}

不要混合使用普通指针和智能指针

考虑下面对 shared_ptr 进行操作的函数：

//在函数被调用时 ptr 被创建并初始化
void process(shared_ptr<int> ptr)
{
    //使用ptr
}//ptr离开作用域，被销毁

int main()
{
    shared_ptr<int> p( new int (42) ) ; //引用计数为 1
    process (p);//拷贝p会递增它的引用计数；在process中引用计数值为2
    int i = *p; //正确：引用计数值为1    
}

下面考虑混合使用普通指针和智能指针的情况。虽然不能传递给process —个内置指针，但可以传递给它一个（临时的） shared_ptr，这个shared_ptr是用一个内置指针显式构造的。但是，这样做很可能会导致错误：

int *x(new int(1024));  //危险：x是一个普通指针，不是一个智能指针
process (x);// 错误：不能将 int*转换为一个 shared_ptr<int> 
process ( shared_ptr<int> (x) ); // 合法的，但内存会被释放！ 
int j = *x; //未定义的：x是一个空悬指针！

在上面的调用中，我们将一个临时shared_ptr传递给process。当这个调用所在的表达式结束时，这个临时对象就被销毁了。销毁这个临时变量会递减引用计数，此时引用计数就变为0 了。因此，当临时对象被销毁时，它所指向的内存会被释放。但x继续指向（已经释放的）内存，从而变成一个空悬指针。如果试图使用x的值，其行为是未定义的。

2 unique_ptr 类

一个unique_ptr “拥有”它所指向的对象。与shared_ptr不同，某个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定对象。当unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也被销毁。

与shared_ptr不同，没有类似make_shared的标准库函数返回一个unique_ptr。当我们定义一个unique_ptr时，需要将其绑定到一个new返回的指针上。类似shared_ptr，初始化unique_ptr必须采用直接初始化形式：

unique_ptr<double> p1; //指向一个double的unique_ptr
unique_ptr<double> p2(new int(42)); //p2指向一个值为42的int

由于一个unique_ptr拥有它指向的对象，因此unique_ptr不支持普通的拷贝或 赋值操作：

unique_ptr<string> p1(new string("Stegosaurus"));
unique_ptr<string> p2 (p1); //错误：unique_ptr 不支持拷贝
unique_ptr<string> p3;
p3 = p2;    //错误：unique_ptr不支持赋值

下面列出了unique_ptr特有的操作。

unique_ptr<T> u1 //空unique_ptr，可以指向类型为T的对象。u1会使用delete来释放它的指针
unique_ptr<T, D> u2 //u2会使用一个类型为D的可调用对象来释放它的指针
unique_ptr<T, D> u(d) //空unique_ptr，指向类型为T的对象，用类型为D的对象d替代delete
u = nullptr //释放u指向的对象，将u置为空
u.release() //u放弃对指针的控制权，返回指针，并将u置为空
u.reset() //释放u指向的对象
u.reset(q) //如果提供了内置指针q，另u指向这个对象；否则将u置为空'    
u.reset(nullptr)   

虽然我们不能拷贝或赋值unique_ptr，但可以通过调用release或reset将指针的 所有权从一个（非const）unique_ptr转移给另一个unique:

//将所有权从pl (指向string Stegosaurus)转移给p2 
unique_ptr<string> p2(p1, release()); //release 将 p1 置为空 
unique_ptr<string> p3(new string("Trex"));
//将所有权从p3转移给p2
p2.reset(p3.release()); //reset 释放了 p2 原来指向的内存

release成员返回unique_ptr当前保存的指针并将其置为空。因此，p2被初始化为 p1原来保存的指针，而p1被置为空。

调用release会切断unique_ptr和它原来管理的对象间的联系，如果我们不用另一个智能指针来保存release返回的指针，我们的程序就要负责资源的释放：

p2.release();   //错误：p2不会释放内存，而且我们丢失了指针
auto p = p2.release();  //正确，但我们必须记得 delete(p)

传递unique_ptr参数和返回unique_ptr

不能拷贝unique_ptr的规则有一个例外：我们可以拷贝或赋值一个将要被销毁的 unique_ptr。最常见的例子是从函数返回一个unique_ptr:

unique_ptr<int> clone(int p) 
{
    // 正确：从 int*创建一个 unique_ptr<int> 
    return unique_ptr<int>(new int(p));
}

还可以返回一个局部对象的拷贝：

unique_ptr<int> clone (int p) 
{
    unique_ptr<int> ret(new int (p));
    //… 
    return ret;
}

对于上面两段代码，编译器都知道要返回的对象将要被销毁。在此情况下，编译器执行一种特殊的“拷贝”，在《C++ Primer》13.6.2节（第473页）中有介绍。

3 weak_ptr 类

weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，它指向由一个shared_ptr管理的对象。将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变 shared_ptr的引用计数。一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放，因此，weak_ptr的名字抓住了这种智能指针“弱”共享对象的特点。

下面列出了weak_ptr的操作。

weak_ptr<T> w //空weak_ptr可以指向类型为T的对象
weak_ptr<T> w(sp) //与shared_ptr sp指向相同对象的weak_ptr。T必须能转换为sp指向的S型
w = p //p可以是一个shared_ptr或一个weak_ptr。赋值后w与p共享对象
w.reset() //将W置为空
w.use_count() //与w共享对象的shared ptr的数量
w.expired() //若 w.use_count()为0，返回true，否贝y返回 false
w.lock() //如果expired为true，返回一个空shared ptr:否则返回一个 指向w的对象的shared_ptr

当我们创建一个weak_ptr时，要用一个shared_ptr来初始化它:

auto p = make_shared<int>(42);
weak_ptr<int> wp(p); // wp弱共享p; p的引用计数未改变

本例中wp和p指向相同的对象。由于是弱共享，创建wp不会改变p的引用计数；wp指向的对象可能被释放掉。

由于对象可能不存在，我们不能使用weak_ptr直接访问对象，而必须调用lock。 此函数检查weak_ptr指向的对象是否仍存在。如果存在，lock返回一个指向共享对象 的shared_ptr。与任何其他shared_ptr类似，只要此shared_ptr存在，它所指向的底层对象也就会一直存在。例如：

if ( shared_ptr<int> np = wp.lock() )   
{ 
    // 如果 np 不为空则条件成立
    //在if中，np与p共享对象
}

在这段代码中，只有当lock调用返回true时我们才会进入if语句体。在if中，使用 np访问共享对象是安全的。

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原文地址：https://www.cnblogs.com/linuxAndMcu/p/10409723.html