C++11智能指针

C成也指针,败也指针。确实,指针给程序员提供了很多便利和灵活性,但是不当的指针使用也会造成很多问题。 Java和C#避免了指针(虽然C#中也能使用指针,但是估计很少有人这样做),其垃圾回收机制,给程序员减轻很多管理内存的负担。

为了带来指针更好的使用体验,C++中引入了智能指针的概念,其实质就是将指针的一些操作封装成类,程序员通过使用熟悉的指针运算符(-> 和 *)访问封装指针,该指针类通过运算符重载返回封装的原始指针。 C++ 智能指针思路类似于C#等语言中创建对象的过程:创建对象后让系统负责在正确的时间将其删除。 不同之处在于,C++中没有单独的在后台运行的垃圾回收器。 C++智能指针是在<memory> 标头文件中的 std 命名空间中定义的。

C++11中主要有两种类型的智能指针: (1) shared_ptr代表的是“共享所有权”(shared ownership)的指针。多个智能指针可以指向同一个对象,当指向该对象的最后一个指针销毁的时候,该对象自动销毁,释放空间。与shared_ptr相关的其他一些类包括:weak_ptr,bad_weak_ptr,enable_shared_from_this等。shared_ptr是采用引用计数的智能指针,当引用个数为0的时候,即会释放指向对象的空间。shared_ptr有效地防治了悬挂指针(dangling points)的产生。

(2) unique_ptr代表的是“排他所有权”(exclusive ownership)的指针。对于一个对象,该指针确保任何时候只有一个智能指针指向该对象。当然,你可以转移所有权,让该指针释放对该对象的引用,让其他指针指向该对象。unique_ptr有效地防治了内存泄露(resource leaks)。

下面看实例进一步理解: 下面看一个shared_ptr的使用例子(下面的例子摘自《The C++ Standard Library》一书)

// util/sharedptr1.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    // two shared pointers representing two persons by their name
    shared_ptr<string> pNico(new string("nico"));
    shared_ptr<string> pJutta(new string("jutta"));
    // capitalize person names
    (*pNico)[0] = ’N’;
    pJutta->replace(0,1,"J");
    // put them multiple times in a container
    vector<shared_ptr<string>> whoMadeCoffee;
    whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
    whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
    whoMadeCoffee.push_back(pNico);
    whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
    whoMadeCoffee.push_back(pNico);
    // print all elements
    for (auto ptr : whoMadeCoffee)
    {
        cout << *ptr << " ";
    }
    cout << endl;
    // overwrite a name again
    *pNico = "Nicolai";
    // print all elements again
    for (auto ptr : whoMadeCoffee)
    {
        cout << *ptr << " ";
    }
    cout << endl;
    // print some internal data
    cout << "use_count: " << whoMadeCoffee[0].use_count() << endl;
}

输出结果:

为什么最后对whoMadeCoffee[0]对象的引用是4呢?第一个是pJutta指针本身,算一个引用,然后还有三个副本:whoMadeCoffee[0]、whoMadeCoffee[1]、whoMadeCoffee[3],所以总共加起来就是4个。

上面的foreach语句如果不能正常执行可以使用下面的for循环代替。foreach是C++11的新特性,貌似Visual Studio2010中是不支持的,但是2013中是支持的:

// print all elements
for (vector<shared_ptr<string>>::iterator iter = whoMadeCoffee.begin(); iter != whoMadeCoffee.end(); ++iter)
{
    cout << **iter << " ";
}
cout << endl;

下面是unique_ptr的使用实例:

int main()
{
    // 创建unique_ptr指针,并初始化。因为unique_ptr的构造函数被声明为explicit,所以不能使用unique_ptr<string> pStr = new string("Hello")这样的方式进行初始化。
    unique_ptr<string> pStr(new string("Hello"));
    // 输出指针pStr指向的对象内容
    cout << *pStr << '\n';
    // 修改指针pStr指向的对象内容
    *pStr = "你好";
    // 再次输出指针pStr指向的对象内容
    cout << *pStr << '\n';
    // release函数释放指针pStr并将指针指向的对象地点赋值给pOtherStr
    string* pOtherStr = pStr.release();
    // 这时候pStr指针肯定为nullptr,输出指针pOtherStr指向对象的内容
    if (pStr == nullptr)
    {
        cout << *pOtherStr << '\n';
    }
    // 智能指针pStr不能使用delete释放空间,但是普通指针pOtherStr在使用之后要用delete进行空间释放
    delete pOtherStr;
    return 0;
}

运行结果:

智能指针的使用和普通指针类似,但是需要记住智能指针不能使用delete关键字显示释放空间。但是我们可以在智能指针的构造函数中自定义我们释放空间时要做的操作。

最后,有人可能还会遇到auto_ptr这样的指针,auto_ptr是C++98标准中的,现在已经被声明为过时的,unique_ptr完全可以取代auto_ptr,所以以后就不要使用auto_ptr了。

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