C++11 智能指针

本文介绍三个智能指针：unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr。auto_ptr已经被C++11丢弃了。

C++的内存管理中，当我们写一个new语句时，一般立即跟一个delete，但是也很难保证没有运行到delete就返回了。申请的资源没有释放，就会造成内存泄露。

智能指针解决了哪些问题：

1、忘记调用delete释放内存。

2、程序异常的进入catch块忘记释放内存。

3、指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。

为什么不建议使用auto_ptr？

auto_ptr<int> px(new int(8));
auto_ptr<int> py;
py = px;

如果px和py是普通指针，则两个指针将指向同一个动态分配的int对象。这是不能接受的，因为程序可能将试图删除同一个对象两次——一次是px过期时，另一次是py过期时，我们知道，同一块内存是不能delete两次的。要避免这种问题，主要有以下两种方法：

C++11中为什么建议摒弃auto_ptr，看下面的例子：

从程序的运行结果来看，当执行完赋值语句py = px后，再去访问px时程序崩溃了。原因就是因为赋值语句py = px使得对象的所有权从px转让给py了，px已经变为空指针了，再去访问px当然会出错了。

• 是怎么样交给被赋值的指针的呢？

auto_ptr重载了等号操作符，由图可知意思是把赋值智能指针的内存交给被赋值智能指针，如下：

• 那么如果使用unique_ptr或者shared_ptr又会怎样了？还是测试下吧，先看unique_ptr情况：

如果使用unique_ptr，在这种情况下编译会出错，也就是说尽管与auto_ptr一样，unique_ptr也采用所有权模型，但在使用unique_ptr时，程序不会等到运行阶段崩溃，在编译时就将可能潜在的错误暴露给你。

• 再看看shared_ptr情况：

使用shared_ptr时运行正常，因为shared_ptr采用引用计数，当执行完赋值语句py = px后，px和py都指向同一块内存，只不过在释放空间时因为事先要判断引用计数值的大小因此不会出现多次删除一个对象的错误。

如何选择哪种智能指针？

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unique_ptr：

C++11引入了许多便捷的功能，其中也包括这个，在用之前我们可以先看下底层：

可以清楚的看到，unique_ptr中的拷贝构造和赋值操作符delete了，所以也就意味着，他和auto_ptr有区别，控制权唯一，不能随意转换。用法都差不多：

unique_ptr<Base1> base1(new Base1);
unique_ptr<Base1>   base2;//但是不能用拷贝构造和等号赋值把base1赋值给base2了

但是如果想切换控制权的话也不是没有办法，我们可以看到还有个这样的函数：

要理解这两个函数，首先要理解c++11引入的move和forward；而要理解move和forward得先理解左值和右值概念。所以还是讲全一点吧（已经了解的就直接跳过可以）：

补充知识点：

1、左值与右值：

左值指的是既能够出现在等号左边也能出现在等号右边的变量(或表达式)，右值指的则是只能出现在等号右边的变量(或表达式)。需要注意的是，左值是指表达式结束后依然存在的持久对象，而右值是指表达式结束时就不再存在的临时对象。T& 指向的是 lvalue，而 const T& 指向的，却可能是 lvalue 或 rvalue，左值引用&与右值引用&&（右值引用是c++11加上的）。

2、move和forward：

需要明确的是，move函数可以是用于构造函数，也可以用于赋值函数，但都需要手动显示添加。其实move函数用直白点的话来说就是省去拷贝构造和赋值时中间的临时对象，将资源的内存从一个对象移动到（共享也可以）另一个对象。官话是：c++11 中的 move() 是这样一个函数，它接受一个参数，然后返回一个该参数对应的右值引用。

std::forward(u) 有两个参数：T 与 u。当T为左值引用类型时，u将被转换为T类型的左值，否则u将被转换为T类型右值。如此定义std::forward是为了在使用右值引用参数的函数模板中解决参数的完美转发问题。

其实这里说的不够清晰，下次翻译一篇国外的解释，阅读下来就能很好理解move这个概念了，这里先不深入。

回到这张图，这两个函数体也就很明朗了——重载move版本的拷贝构造函数以及重载move版本的等号赋值函数。

意思就是：把右值的对象（right）移动给左值（_myt&），并且右值清空。

那么用法：

unique_ptr<Base1>   base1(new Base1);
unique_ptr<Base1>   base2=move(base1);//base1变成empty
unique_ptr<Base1>   base3;
base3 = move(base2);//base2变成empty

其它的成员函数就不一一赘述，和auto_ptr大致上是相同的。总结，某种程度来说比auto_ptr更为安全，适用部分特殊情况。

shared_ptr：

如果完全理解了上面两个ptr的底层，那么shared_ptr的也就容易理解多了。但是和前两者有很大区别——前两者控制权唯一，切换的时候把前面的清除。而shared_ptr不会，照例看下底层：

很显然，可以直接赋值和调用拷贝构造函数，且不会清空原本的智能指针。用法就很简单了：

shared_ptr<Base1>   base1(new Base1);
shared_ptr<Base1>   base2=base1;
shared_ptr<Base1>   base3;
base3 = base2;//三个共享一个

• 有个地方需要注意，当删除一个智能指针时，并不影响其它两个智能指针的继续使用。因为该片内存添加了一个引用计数，每shared_ptr一次，引用计数+1；每次调用析构函数，引用计数减一。直到最后一个智能指针删除，才会释放内存。

注意：

1、在继续查看时，你会发现以下两个函数：

其实就是和unique_ptr一样可以通过move来切换控制权，这个时候是切换，不是共享了。

2、接下来继续翻看，还有两个函数：

（其实auto_ptr也有，只是一样，没必要截图了）也就是说，auto_ptr和unique_ptr都可以通过move函数转换成shared_ptr类型，当然，一样是切换控制权的形式，即旧的置空。

用法如下：

auto_ptr<Base1> base1(new Base1);
shared_ptr<Base1>   base2=move(base1);

简单总结：

shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用计数机制来表明资源被几个指针共享，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。

• 初始化。
  智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared_ptr p4 = new int(1);的写法是错误的

• 拷贝和赋值。
  拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。

• 注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存。

• get函数获取原始指针；可以通过成员函数use_count()来查看资源的所有者个数。

• 注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环引用，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。

weak_ptr：

weak_ptr更像是shared_ptr的助手：

1、他不像其余三种，可以通过构造函数直接分配对象内存；他必须通过shared_ptr来共享内存。

2、没有重载opreator*和->操作符，也就意味着即使分配到对象，他也没法使用该对象

3、不主动参与引用计数，即，share_ptr释放了，那么weak_ptr所存的对象也释放了。

4、使用成员函数use_count()可以查看当前引用计数，expired()判断引用计数是否为空。

5、lock()函数，返回一个shared_ptr智能指针：

也就是让weak_ptr观测shared_ptr智能指针，并且在需要时候通过lock函数返回一个shared_ptr。

文章大部分参考网上的博客。

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、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。

感谢各位大佬们的干货：

c++11智能指针解析——揭开底层面纱，完整理解智能指针

C++11中的智能指针