C++ 智能指针

转载自:C++ 智能指针详解

简介

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制,程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete,流程太复杂,最终导致没有 delete,异常导致程序过早退出,没有执行 delete 的情况并不罕见。 用智能指针便可以有效缓解这类问题,本文主要讲解参见的智能指针的用法。包括:std::auto_ptrboost::scoped_ptrboost::shared_ptrboost::scoped_arrayboost::shared_arrayboost::weak_ptrboost:: intrusive_ptr。你可能会想,如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题,真的有必要吗?看完这篇文章后,我想你心里自然会有答案。 下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针(smart_ptr)。

具体使用

总括

对于编译器来说,智能指针实际上是一个栈对象,并非指针类型,在栈对象生命期即将结束时,智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了“operator->”操作符,直接返回对象的引用,用以操作对象。访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。 访问智能指针包含的裸指针则可以用 get() 函数。由于智能指针是一个对象,所以if (my_smart_object)永远为真,要判断智能指针的裸指针是否为空,需要这样判断:if (my_smart_object.get())。 智能指针包含了 reset() 方法,如果不传递参数(或者传递 NULL),则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象,则智能指针会释放当前对象,来管理新传入的对象。 我们编写一个测试类来辅助分析:

class Simple {
 public:
  Simple(int param = 0) {
    number = param;
    std::cout << "Simple: " << number << std::endl; 
  }

  ~Simple() {
    std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  }

  void PrintSomething() {
    std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  }

  std::string info_extend;
  int number;
};

std::auto_ptr

std::auto_ptr 属于 STL,当然在 namespace std 中,包含头文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。 我们从代码开始分析:

void TestAutoPtr() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 创建对象,输出:Simple:1
if (my_memory.get()) {                            // 判断智能指针是否为空
my_memory->PrintSomething();                    // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指针,然后给内部对象赋值
my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印,表明上述赋值成功
(*my_memory).info_extend += " other";           // 使用 operator* 返回智能指针内部对象,然后用“.”调用智能指针对象中的函数
my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印,表明上述赋值成功
  }
}                                                   // my_memory 栈对象即将结束生命期,析构堆对象 Simple(1)

执行结果为:

Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
~Simple: 1

上述为正常使用 std::auto_ptr 的代码,一切似乎都良好,无论如何不用我们显示使用该死的 delete 了。 其实好景不长,我们看看如下的另一个例子:

void TestAutoPtr2() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;   // 创建一个新的 my_memory2 对象
    my_memory2 = my_memory;             // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2
    my_memory2->PrintSomething();       // 输出信息,复制成功
    my_memory->PrintSomething();        // 崩溃
  }
}

最终如上代码导致崩溃,如上代码时绝对符合 C++ 编程思想的,居然崩溃了,跟进 std::auto_ptr 的源码后,我们看到,罪魁祸首是“my_memory2 = my_memory”,这行代码,my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权,导致 my_memory 悬空,最后使用时导致崩溃。 所以,使用 std::auto_ptr 时,绝对不能使用“operator=”操作符。作为一个库,不允许用户使用,确没有明确拒绝[1],多少会觉得有点出乎预料。 看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后,让我们再来看一个:

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

  if (my_memory.get()) {
    my_memory.release();
  }
}

执行结果为: Simple: 1 看到什么异常了吗?我们创建出来的对象没有被析构,没有输出“~Simple: 1”,导致内存泄露。当我们不想让 my_memory 继续生存下去,我们调用 release() 函数释放内存,结果却导致内存泄露(在内存受限系统中,如果my_memory占用太多内存,我们会考虑在使用完成后,立刻归还,而不是等到 my_memory 结束生命期后才归还)。 正确的代码应该为:

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    Simple* temp_memory = my_memory.release();
    delete temp_memory;
  }
}

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    my_memory.reset();  // 释放 my_memory 内部管理的内存
  }
}

原来 std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权,这显然也不符合 C++ 编程思想。 总结:std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存,但是,请注意如下几点: (1) 尽量不要使用“operator=”。如果使用了,请不要再使用先前对象。 (2) 记住 release() 函数不会释放对象,仅仅归还所有权。 (3) std::auto_ptr 最好不要当成参数传递(读者可以自行写代码确定为什么不能)。 (4) 由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题,有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。 (5) …… 使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多,还不能用来管理堆内存数组,这应该是你目前在想的事情吧,我也觉得限制挺多的,哪天一个不小心,就导致问题了。 由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题,一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想,所以引发了下面 boost 的智能指针,boost 智能指针可以解决如上问题。 让我们继续向下看。

boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptrstd::auto_ptr 一样,可以方便的管理单个堆内存对象,特别的是,boost::scoped_ptr 独享所有权,避免了 std::auto_ptr 恼人的几个问题。 我们还是从代码开始分析:

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();           // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
    my_memory2 = my_memory;        // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=,不会导致所有权转移
  }
}

首先,我们可以看到,boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数,不会导致先前的内存泄露问题。其次,由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的,所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句,可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。 由于 boost::scoped_ptr 独享所有权,当我们真真需要复制智能指针时,需求便满足不了了,如此我们再引入一个智能指针,专门用于处理复制,参数传递的情况,这便是如下的boost::shared_ptr

boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权,不允许赋值、拷贝,boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的,由于要共享所有权,其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。 我们还是从代码开始分析:

void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) {  // 注意:无需使用 reference (或 const reference)
  memory->PrintSomething();
  std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}

void TestSharedPtr2() {
  boost::shared_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();
  }

  std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedPtr(my_memory);
  std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

  //my_memory.release();// 编译 error: 同样,shared_ptr 也没有 release 函数
}

执行结果为:

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。并且没有 release() 函数。关键的一点,boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数,由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ,此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果,我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中,引用计数为 1,传递参数后(此处进行了一次复制),在函数TestSharedPtr 内部,引用计数为2,在 TestSharedPtr 返回后,引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候,boost::shared_ptr 是再好不过的了。 在此,我们已经看完单个对象的智能指针管理,关于智能指针管理数组,我们接下来讲到。

boost::scoped_array

boost::scoped_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样,也是独享所有权的。 我们还是从代码开始分析:

void TestScopedArray() {
      boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化
      if (my_memory.get()) {
        my_memory[0].PrintSomething();
        my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
        my_memory[0].PrintSomething();
        (*my_memory)[0].info_extend += " other";            // 编译 error,scoped_ptr 没有重载 operator*
        my_memory[0].release();                             // 同上,没有 release 函数
        boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
        my_memory2 = my_memory;                             // 编译 error,同上,没有重载 operator=
      }
    }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多,不支持复制,并且初始化的时候需要使用动态数组。另外,boost::scoped_array 没有重载“operator*”,其实这并无大碍,一般情况下,我们使用 get() 函数更明确些。 下面肯定应该讲 boost::shared_array 了,一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。

boost::shared_array

boost::shared_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 由于 boost::scoped_array 独享所有权,显然在很多情况下(参数传递、对象赋值等)不满足需求,由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样,内部使用了引用计数。 我们还是从代码开始分析:

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 注意:无需使用 reference (或 const reference)
  std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}

void TestSharedArray2() {
  boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
  if (my_memory.get()) {
    my_memory[0].PrintSomething();
    my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
    my_memory[0].PrintSomething();
    my_memory[1].PrintSomething();
    my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
    my_memory[1].PrintSomething();
    //(*my_memory)[0].info_extend += " other";  // 编译 error,scoped_ptr 没有重载 operator*
  }
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedArray(my_memory);
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

执行结果为:

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

boost::shared_ptr 一样,使用了引用计数,可以复制,通过参数来传递。

至此,我们讲过的智能指针有std::auto_ptrboost::scoped_ptrboost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了,90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针,它们肯定有用,但有什么用处呢,一起看看吧。

boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 在讲 boost::weak_ptr 之前,让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 boost::scoped_ptrboost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了,这儿还多出一个 boost::weak_ptr,是否还有某些情况我们没纳入考虑呢? 回答:有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候,我们只关心能否使用对象,并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptrboost::shared_ptr 的观察者(Observer)对象,观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用,而不改变其引用计数,当被观察的 boost::shared_ptr 失效后,相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。 我们还是从代码开始

   void TestWeakPtr() {
      boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
      boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
      std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
      my_memory_weak = my_memory;
      std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

执行结果为:

Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1

我们看到,尽管被赋值了,内部的引用计数并没有什么变化,当然,读者也可以试试传递参数等其他情况。 现在要说的问题是,boost::weak_ptr 到底有什么作用呢?从上面那个例子看来,似乎没有任何作用,其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中,可以在基类(此处的基类并非抽象基类,而是指继承于抽象基类的虚基类)中定义一个 boost::weak_ptr,用于指向子类的 boost::shared_ptr,这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了,而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数,用以降低复杂度,更好的管理对象。

boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。 讲完如上 6 种智能指针后,对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了,现在有多了一种 boost::intrusive_ptr,这是一种插入式的智能指针,内部不含有引用计数,需要程序员自己加入引用计数,不然编译不过(⊙﹏⊙b汗)。个人感觉这个智能指针没太大用处,至少我没用过。

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]。 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。

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