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[C/C++] 智能指针学习
一、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_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost::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）。
二、具体使用
1、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：
1 class Simple 2 { 3 public: 4 Simple(int param = 0) 5 { 6 number = param; 7 std::cout << "Simple: " << number << std::endl; 8 } 9 10 ~Simple() 11 { 12 std::cout << "~Simple: " << number << std::endl; 13 } 14 15 void PrintSomething() 16 { 17 std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl; 18 } 19 20 std::string info_extend; 21 int number; 22 };
2、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：
1 void TestAutoPtr() 2 { 3 std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); // 创建对象，输出：Simple：1 4 if (my_memory.get()) // 判断智能指针是否为空 5 { 6 my_memory->PrintSomething(); // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数 7 my_memory.get()->info_extend = "Addition"; // 使用 get() 返回裸指针，然后给内部对象赋值 8 my_memory->PrintSomething(); // 再次打印，表明上述赋值成功 9 (*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 10 my_memory->PrintSomething(); // 再次打印，表明上述赋值成功 11 } // my_memory 栈对象即将结束生命期，析构堆对象 Simple(1) 12 }
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：
1 void TestAutoPtr2() 2 { 3 std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); 4 if (my_memory.get()) 5 { 6 std::auto_ptr<Simple> my_memory2; // 创建一个新的 my_memory2 对象 7 my_memory2 = my_memory; // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2 8 my_memory2->PrintSomething(); // 输出信息，复制成功 9 my_memory->PrintSomething(); // 崩溃 10 } 11 }
最终导致如上代码崩溃，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。
看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后，让我们再来看一个：
1 void TestAutoPtr3() 2 { 3 std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); 4 if (my_memory.get()) 5 { 6 my_memory.release(); 7 } 8 }
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：
1 void TestAutoPtr3() 2 { 3 std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); 4 if (my_memory.get()) 5 { 6 Simple* temp_memory = my_memory.release(); 7 delete temp_memory; 8 } 9 }
或：
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。
（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。
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。
3、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_ptr 跟 std::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：
1 void TestScopedPtr() 2 { 3 boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); 4 if (my_memory.get()) 5 { 6 my_memory->PrintSomething(); 7 my_memory.get()->info_extend = "Addition"; 8 my_memory->PrintSomething(); 9 (*my_memory).info_extend += " other"; 10 my_memory->PrintSomething(); 11 12 my_memory.release(); // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数 13 std::auto_ptr<Simple> my_memory2; 14 my_memory2 = my_memory; // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=，不会导致所有权转移 15 } 16 }
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。
4、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：
1 void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) // 注意：无需使用 reference (或 const reference) 2 { 3 memory->PrintSomething(); 4 std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl; 5 } 6 7 void TestSharedPtr2() 8 { 9 boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); 10 if (my_memory.get()) 11 { 12 my_memory->PrintSomething(); 13 my_memory.get()->info_extend = "Addition"; 14 my_memory->PrintSomething(); 15 (*my_memory).info_extend += " other"; 16 my_memory->PrintSomething(); 17 } 18 19 std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; 20 TestSharedPtr(my_memory); 21 std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; 22 23 //my_memory.release();// 编译 error: 同样，shared_ptr 也没有 release 函数 24 }
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
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