一文掌握 C++ 智能指針的使用方法

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一、RAII 與引用計數

瞭解 Objective-C/Swift 的程序員應該知道引用計數的概念。引用計數這種計數是為瞭防止內存泄露而產生的。

基本想法是對於動態分配的對象，進行引用計數，每當增加一次對同一個對象的引用，那麼引用對象的引用計數就會增加一次， 每刪除一次引用，引用計數就會減一，當一個對象的引用計數減為零時，就自動刪除指向的堆內存。

在傳統C++中，『記得』手動釋放資源，總不是最佳實踐。因為我們很有可能就忘記瞭去釋放資源而導致泄露。所以通常的做法是對於一個對象而言，我們在構造函數的時候申請空間，而在析構函數（在離開作用域時調用）的時候釋放空間， 也就是我們常說的 RAII 資源獲取即初始化技術。

凡事都有例外，我們總會有需要將對象在自由存儲上分配的需求，在傳統 C++ 裡我們隻好使用 new 和 delete 去 『記得』對資源進行釋放。而 C++11 引入瞭智能指針的概念，使用瞭引用計數的想法，讓程序員不再需要關心手動釋放內存。

這些智能指針就包括 std::shared_ptr std::unique_ptr std::weak_ptr，使用它們需要包含頭文件<memory>。

註意：引用計數不是垃圾回收，引用計數能夠盡快收回不再被使用的對象，同時在回收的過程中也不會造成長時間的等待， 更能夠清晰明確的表明資源的生命周期。

二、std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一種智能指針，它能夠記錄多少個 shared_ptr 共同指向一個對象，從而消除顯式的調用 delete，當引用計數變為零的時候就會將對象自動刪除。

但還不夠，因為使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 來調用，這使得代碼出現瞭某種程度上的不對稱。

std::make_shared 就能夠用來消除顯式的使用 new，所以 std::make_shared 會分配創建傳入參數中的對象， 並返回這個對象類型的 std::shared_ptr 指針。例如：

#include <iostream>  
#include <memory>  
void foo(std::shared_ptr<int> i)  
{  
    (*i)++;  
}  
int main()  
{  
    // auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment  
    // Constructed a std::shared_ptr  
    auto pointer = std::make_shared<int>(10);  
    foo(pointer);  
    std::cout << *pointer << std::endl; // 11  
    // The shared_ptr will be destructed before leaving the scope  
    return 0;  
}

std::shared_ptr 可以通過 get() 方法來獲取原始指針，通過 reset() 來減少一個引用計數， 並通過 use_count() 來查看一個對象的引用計數。例如：

auto pointer = std::make_shared<int>(10);  
auto pointerpointer2 = pointer; // 引用計數+1  
auto pointerpointer3 = pointer; // 引用計數+1  
int *p = pointer.get(); // 這樣不會增加引用計數  
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3  
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3  
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3  
pointer2.reset();  
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;  
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2  
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 reset  
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2  
pointer3.reset();  
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;  
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1  
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0  
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset

三、std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一種獨占的智能指針，它禁止其他智能指針與其共享同一個對象，從而保證代碼的安全：

std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10); // make_unique 從 C++14 引入  
std::unique_ptr<int> pointerpointer2 = pointer; // 非法

make_unique 並不復雜，C++11 沒有提供 std::make_unique，可以自行實現：

template<typename T, typename ...Args>  
std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) {  
  return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) );  
}

至於為什麼沒有提供，C++ 標準委員會主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因為『被他們忘記瞭』。

既然是獨占，換句話說就是不可復制。但是，我們可以利用 std::move 將其轉移給其他的 unique_ptr，例如：

#include <iostream>  
#include <memory>  
struct Foo {  
    Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; }  
    ~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }  
    void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; }  
};  
void f(const Foo &) {  
    std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;  
}  
int main() {  
    std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>());  
    // p1 不空, 輸出  
    if (p1) p1->foo();  
    {  
        std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));  
        // p2 不空, 輸出  
        f(*p2);  
        // p2 不空, 輸出  
        if(p2) p2->foo();  
        // p1 為空, 無輸出  
        if(p1) p1->foo();  
        p1 = std::move(p2);  
        // p2 為空, 無輸出  
        if(p2) p2->foo();  
        std::cout << "p2 被銷毀" << std::endl;  
    }  
    // p1 不空, 輸出  
    if (p1) p1->foo();  
    // Foo 的實例會在離開作用域時被銷毀  
}

四、std::weak_ptr

如果你仔細思考 std::shared_ptr 就會發現依然存在著資源無法釋放的問題。看下面這個例子：

struct A;  
struct B;  
struct A {  
    std::shared_ptr<B> pointer;  
    ~A() {  
        std::cout << "A 被銷毀" << std::endl;  
    }  
};  
struct B {  
    std::shared_ptr<A> pointer;  
    ~B() {  
        std::cout << "B 被銷毀" << std::endl;  
    }  
};  
int main() {  
    auto a = std::make_shared<A>();  
    auto b = std::make_shared<B>();  
    a->pointer = b;  
    b->pointer = a;  
}

運行結果是 A, B 都不會被銷毀，這是因為 a,b 內部的 pointer 同時又引用瞭 a,b，這使得 a,b 的引用計數均變為瞭 2，而離開作用域時，a,b 智能指針被析構，卻隻能造成這塊區域的引用計數減一。

這樣就導致瞭 a,b 對象指向的內存區域引用計數不為零，而外部已經沒有辦法找到這塊區域瞭，也就造成瞭內存泄露，如圖 1：

解決這個問題的辦法就是使用弱引用指針 std::weak_ptr，std::weak_ptr是一種弱引用（相比較而言 std::shared_ptr 就是一種強引用）。

弱引用不會引起引用計數增加，當換用弱引用時候，最終的釋放流程如圖 2 所示：

在上圖中，最後一步隻剩下 B，而 B 並沒有任何智能指針引用它，因此這塊內存資源也會被釋放。

std::weak_ptr 沒有 * 運算符和 -> 運算符，所以不能夠對資源進行操作，它的唯一作用就是用於檢查 std::shared_ptr 是否存在，其 expired() 方法能在資源未被釋放時，會返回 false，否則返回 true。

五、總結

智能指針這種技術並不新奇，在很多語言中都是一種常見的技術，現代 C++ 將這項技術引進，在一定程度上消除瞭 new/delete 的濫用，是一種更加成熟的編程范式。

到此這篇關於一文掌握 C++ 智能指針的使用方法的文章就介紹到這瞭,更多相關C++ 智能指針的使用內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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