導(dǎo)讀##

最近在補看《C++ Primer Plus》第六版，這的確是本好書，其中關(guān)于智能指針的章節(jié)解析的非常清晰，一解我以前的多處困惑。C++面試過程中，很多面試官都喜歡問智能指針相關(guān)的問題，比如你知道哪些智能指針？shared_ptr的設(shè)計原理是什么？如果讓你自己設(shè)計一個智能指針，你如何完成？等等……。而且在看開源的C++項目時，也能隨處看到智能指針的影子。這說明智能指針不僅是面試官愛問的題材，更是非常有實用價值。

下面是我在看智能指針時所做的筆記，希望能夠解決你對智能指針的一些困擾。

目錄##

1. 智能指針背后的設(shè)計思想
2. C++智能指針簡單介紹
3. 為什么摒棄auto_ptr？
4. unique_ptr為何優(yōu)于auto_ptr？
5. 如何選擇智能指針？

正文##

1. 智能指針背后的設(shè)計思想####

我們先來看一個簡單的例子：

void remodel(std::string & str)
{
    std::string * ps = new std::string(str);
    ...
    if (weird_thing())
        throw exception();
    str = *ps; 
    delete ps;
    return;
}

當出現(xiàn)異常時（weird_thing()返回true），delete將不被執(zhí)行，因此將導(dǎo)致內(nèi)存泄露。
如何避免這種問題？有人會說，這還不簡單，直接在<code>throw exception();</code>之前加上<code>delete ps;</code>不就行了。是的，你本應(yīng)如此，問題是很多人都會忘記在適當?shù)牡胤郊由蟙elete語句（連上述代碼中最后的那句delete語句也會有很多人忘記吧），如果你要對一個龐大的工程進行review，看是否有這種潛在的內(nèi)存泄露問題，那就是一場災(zāi)難！
這時我們會想：當remodel這樣的函數(shù)終止（不管是正常終止，還是由于出現(xiàn)了異常而終止），本地變量都將自動從棧內(nèi)存中刪除—因此指針ps占據(jù)的內(nèi)存將被釋放，如果ps指向的內(nèi)存也被自動釋放，那該有多好啊。
我們知道析構(gòu)函數(shù)有這個功能。如果ps有一個析構(gòu)函數(shù)，該析構(gòu)函數(shù)將在ps過期時自動釋放它指向的內(nèi)存。但ps的問題在于，它只是一個常規(guī)指針，不是有析構(gòu)凼數(shù)的類對象指針。如果它指向的是對象，則可以在對象過期時，讓它的析構(gòu)函數(shù)刪除指向的內(nèi)存。

這正是 auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr這幾個智能指針背后的設(shè)計思想。我簡單的總結(jié)下就是：將基本類型指針封裝為類對象指針（這個類肯定是個模板，以適應(yīng)不同基本類型的需求），并在析構(gòu)函數(shù)里編寫delete語句刪除指針指向的內(nèi)存空間。

因此，要轉(zhuǎn)換remodel()函數(shù)，應(yīng)按下面3個步驟進行：

• 包含頭義件memory（智能指針所在的頭文件）；
• 將指向string的指針替換為指向string的智能指針對象；
• 刪除delete語句。

下面是使用auto_ptr修改該函數(shù)的結(jié)果：

# include <memory>
void remodel (std::string & str)
{
    std::auto_ptr<std::string> ps (new std::string(str))；
    ...
    if (weird_thing ())
        throw exception()； 
    str = *ps； 
    // delete ps； NO LONGER NEEDED
    return;
}

2. C++智能指針簡單介紹####

STL一共給我們提供了四種智能指針：auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr（本文章暫不討論）。
模板auto_ptr是C++98提供的解決方案，C+11已將將其摒棄，并提供了另外兩種解決方案。然而，雖然auto_ptr被摒棄，但它已使用了好多年：同時，如果您的編譯器不支持其他兩種解決力案，auto_ptr將是唯一的選擇。

使用注意點

• 所有的智能指針類都有一個explicit構(gòu)造函數(shù)，以指針作為參數(shù)。比如auto_ptr的類模板原型為：

templet<class T>
class auto_ptr {
    explicit auto_ptr(X* p = 0) ; 
    ...
};

因此不能自動將指針轉(zhuǎn)換為智能指針對象，必須顯式調(diào)用：

shared_ptr<double> pd; 
double *p_reg = new double;
pd = p_reg;                               // not allowed (implicit conversion)
pd = shared_ptr<double>(p_reg);           // allowed (explicit conversion)
shared_ptr<double> pshared = p_reg;       // not allowed (implicit conversion)
shared_ptr<double> pshared(p_reg);        // allowed (explicit conversion)

• 對全部三種智能指針都應(yīng)避免的一點：

string vacation("I wandered lonely as a cloud.");
shared_ptr<string> pvac(&vacation);   // No

pvac過期時，程序?qū)裠elete運算符用于非堆內(nèi)存，這是錯誤的。

使用舉例

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

class report
{
private:
    std::string str;
public:
 report(const std::string s) : str(s) {
  std::cout << "Object created.\n";
 }
 ~report() {
  std::cout << "Object deleted.\n";
 }
 void comment() const {
  std::cout << str << "\n";
 }
};

int main() {
 {
  std::auto_ptr<report> ps(new report("using auto ptr"));
  ps->comment();
 }

 {
  std::shared_ptr<report> ps(new report("using shared ptr"));
  ps->comment();
 }

 {
  std::unique_ptr<report> ps(new report("using unique ptr"));
  ps->comment();
 }
 return 0;
}

3. 為什么摒棄auto_ptr？####

先來看下面的賦值語句:

auto_ptr< string> ps (new string ("I reigned lonely as a cloud.”）;
auto_ptr<string> vocation; 
vocaticn = ps;

上述賦值語句將完成什么工作呢？如果ps和vocation是常規(guī)指針，則兩個指針將指向同一個string對象。這是不能接受的，因為程序?qū)⒃噲D刪除同一個對象兩次——一次是ps過期時，另一次是vocation過期時。要避免這種問題，方法有多種：

• 定義陚值運算符，使之執(zhí)行深復(fù)制。這樣兩個指針將指向不同的對象，其中的一個對象是另一個對象的副本，缺點是浪費空間，所以智能指針都未采用此方案。
• 建立所有權(quán)（ownership）概念。對于特定的對象，只能有一個智能指針可擁有，這樣只有擁有對象的智能指針的構(gòu)造函數(shù)會刪除該對象。然后讓賦值操作轉(zhuǎn)讓所有權(quán)。這就是用于auto_ptr和uniqiie_ptr 的策略，但unique_ptr的策略更嚴格。
• 創(chuàng)建智能更高的指針，跟蹤引用特定對象的智能指針數(shù)。這稱為引用計數(shù)。例如，賦值時，計數(shù)將加1，而指針過期時，計數(shù)將減1,。當減為0時才調(diào)用delete。這是shared_ptr采用的策略。

當然，同樣的策略也適用于復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。
每種方法都有其用途，但為何說要摒棄auto_ptr呢？
下面舉個例子來說明。

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

int main() {
  auto_ptr<string> films[5] =
 {
  auto_ptr<string> (new string("Fowl Balls")),
  auto_ptr<string> (new string("Duck Walks")),
  auto_ptr<string> (new string("Chicken Runs")),
  auto_ptr<string> (new string("Turkey Errors")),
  auto_ptr<string> (new string("Goose Eggs"))
 };
 auto_ptr<string> pwin;
 pwin = films[2]; // films[2] loses ownership. 將所有權(quán)從films[2]轉(zhuǎn)讓給pwin，此時films[2]不再引用該字符串從而變成空指針

 cout << "The nominees for best avian baseballl film are\n";
 for(int i = 0; i < 5; ++i)
  cout << *films[i] << endl;
 cout << "The winner is " << *pwin << endl;
 cin.get();

 return 0;
}

運行下發(fā)現(xiàn)程序崩潰了，原因在上面注釋已經(jīng)說的很清楚，films[2]已經(jīng)是空指針了，下面輸出訪問空指針當然會崩潰了。但這里如果把auto_ptr換成shared_ptr或unique_ptr后，程序就不會崩潰，原因如下：

• 使用shared_ptr時運行正常，因為shared_ptr采用引用計數(shù)，pwin和films[2]都指向同一塊內(nèi)存，在釋放空間時因為事先要判斷引用計數(shù)值的大小因此不會出現(xiàn)多次刪除一個對象的錯誤。
• 使用unique_ptr時編譯出錯，與auto_ptr一樣，unique_ptr也采用所有權(quán)模型，但在使用unique_ptr時，程序不會等到運行階段崩潰，而在編譯器因下述代碼行出現(xiàn)錯誤：

unique_ptr<string> pwin;
pwin = films[2]; // films[2] loses ownership.

指導(dǎo)你發(fā)現(xiàn)潛在的內(nèi)存錯誤。

這就是為何要摒棄auto_ptr的原因，一句話總結(jié)就是：避免潛在的內(nèi)存崩潰問題。

4. unique_ptr為何優(yōu)于auto_ptr？####

可能大家認為前面的例子已經(jīng)說明了unique_ptr為何優(yōu)于auto_ptr，也就是安全問題，下面再敘述的清晰一點。
請看下面的語句:

auto_ptr<string> p1(new string ("auto") ； //#1
auto_ptr<string> p2;                       //#2
p2 = p1;                                   //#3

在語句#3中，p2接管string對象的所有權(quán)后，p1的所有權(quán)將被剝奪。前面說過，這是好事，可防止p1和p2的析構(gòu)函數(shù)試圖刪同—個對象；
但如果程序隨后試圖使用p1，這將是件壞事，因為p1不再指向有效的數(shù)據(jù)。

下面來看使用unique_ptr的情況：

unique_ptr<string> p3 (new string ("auto");   //#4
unique_ptr<string> p4；                       //#5
p4 = p3;                                      //#6

編譯器認為語句#6非法，避免了p3不再指向有效數(shù)據(jù)的問題。因此，unique_ptr比auto_ptr更安全。

但unique_ptr還有更聰明的地方。
有時候，會將一個智能指針賦給另一個并不會留下危險的懸掛指針。假設(shè)有如下函數(shù)定義：

unique_ptr<string> demo(const char * s)
{
    unique_ptr<string> temp (new string (s))； 
    return temp；
}

并假設(shè)編寫了如下代碼：

unique_ptr<string> ps;
ps = demo('Uniquely special")；

demo()返回一個臨時unique_ptr，然后ps接管了原本歸返回的unique_ptr所有的對象，而返回時臨時的 unique_ptr 被銷毀，也就是說沒有機會使用 unique_ptr 來訪問無效的數(shù)據(jù)，換句話來說，這種賦值是不會出現(xiàn)任何問題的，即沒有理由禁止這種賦值。實際上，編譯器確實允許這種賦值，這正是unique_ptr更聰明的地方。

總之，黨程序試圖將一個 unique_ptr 賦值給另一個時，如果源 unique_ptr 是個臨時右值，編譯器允許這么做；如果源 unique_ptr 將存在一段時間，編譯器將禁止這么做，比如：

unique_ptr<string> pu1(new string ("hello world"));
unique_ptr<string> pu2;
pu2 = pu1;                                      // #1 not allowed
unique_ptr<string> pu3;
pu3 = unique_ptr<string>(new string ("You"));   // #2 allowed

其中#1留下懸掛的unique_ptr(pu1)，這可能導(dǎo)致危害。而#2不會留下懸掛的unique_ptr，因為它調(diào)用 unique_ptr 的構(gòu)造函數(shù)，該構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的臨時對象在其所有權(quán)讓給 pu3 后就會被銷毀。這種隨情況而已的行為表明，unique_ptr 優(yōu)于允許兩種賦值的auto_ptr 。

當然，您可能確實想執(zhí)行類似于#1的操作，僅當以非智能的方式使用摒棄的智能指針時（如解除引用時），這種賦值才不安全。要安全的重用這種指針，可給它賦新值。C++有一個標準庫函數(shù)std::move()，讓你能夠?qū)⒁粋€unique_ptr賦給另一個。下面是一個使用前述demo()函數(shù)的例子，該函數(shù)返回一個unique_ptr<string>對象：
使用move后，原來的指針仍轉(zhuǎn)讓所有權(quán)變成空指針，可以對其重新賦值。

unique_ptr<string> ps1, ps2;
ps1 = demo("hello");
ps2 = move(ps1);
ps1 = demo("alexia");
cout << *ps2 << *ps1 << endl;

5. 如何選擇智能指針？####

在掌握了這幾種智能指針后，大家可能會想另一個問題：在實際應(yīng)用中，應(yīng)使用哪種智能指針呢？
下面給出幾個使用指南。

（1）如果程序要使用多個指向同一個對象的指針，應(yīng)選擇shared_ptr。這樣的情況包括：

• 有一個指針數(shù)組，并使用一些輔助指針來標示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；
• 兩個對象包含都指向第三個對象的指針；
• STL容器包含指針。很多STL算法都支持復(fù)制和賦值操作，這些操作可用于shared_ptr，但不能用于unique_ptr（編譯器發(fā)出warning）和auto_ptr（行為不確定）。如果你的編譯器沒有提供shared_ptr，可使用Boost庫提供的shared_ptr。

（2）如果程序不需要多個指向同一個對象的指針，則可使用unique_ptr。如果函數(shù)使用new分配內(nèi)存，并返還指向該內(nèi)存的指針，將其返回類型聲明為unique_ptr是不錯的選擇。這樣，所有權(quán)轉(zhuǎn)讓給接受返回值的unique_ptr，而該智能指針將負責調(diào)用delete。可將unique_ptr存儲到STL容器在那個，只要不調(diào)用將一個unique_ptr復(fù)制或賦給另一個算法（如sort()）。例如，可在程序中使用類似于下面的代碼段。

unique_ptr<int> make_int(int n)
{
    return unique_ptr<int>(new int(n));
}
void show(unique_ptr<int> &p1)
{
    cout << *a << ' ';
}
int main()
{
    ...
    vector<unique_ptr<int> > vp(size);
    for(int i = 0; i < vp.size(); i++)
        vp[i] = make_int(rand() % 1000);              // copy temporary unique_ptr
    vp.push_back(make_int(rand() % 1000));     // ok because arg is temporary
    for_each(vp.begin(), vp.end(), show);           // use for_each()
    ...
}

其中push_back調(diào)用沒有問題，因為它返回一個臨時unique_ptr，該unique_ptr被賦給vp中的一個unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用給show()傳遞對象，for_each()將非法，因為這將導(dǎo)致使用一個來自vp的非臨時unique_ptr初始化pi，而這是不允許的。前面說過，編譯器將發(fā)現(xiàn)錯誤使用unique_ptr的企圖。
在unique_ptr為右值時，可將其賦給shared_ptr，這與將一個unique_ptr賦給一個需要滿足的條件相同。與前面一樣，在下面的代碼中，make_int()的返回類型為unique_ptr<int>：

unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000));   // ok
shared_ptr<int> spp(pup);                       // not allowed, pup as lvalue
shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000));   // ok

模板shared_ptr包含一個顯式構(gòu)造函數(shù)，可用于將右值unique_ptr轉(zhuǎn)換為shared_ptr。shared_ptr將接管原來歸unique_ptr所有的對象。
在滿足unique_ptr要求的條件時，也可使用auto_ptr，但unique_ptr是更好的選擇。如果你的編譯器沒有unique_ptr，可考慮使用Boost庫提供的scoped_ptr，它與unique_ptr類似。