C++_类入门5-智能指针模板类

智能指针是行为类似于指针的类对象，但这种对象还有其他功能。

本节介绍三个可帮助管理动态内存分配的智能指针模板（auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr）。

void remodel(std:string & str)

{

　　std::string * ps = new std::string(str);

　　...

　　str = ps;

　　return;

}

这段代码有缺陷，每当调用时，该函数都分配堆中的内存，但从不回收，从而导致内存泄漏；

但是有解决之道——在return语句前添加下面的语句，以释放分配的内存即可：

delete ps;

然而，但凡涉及“别忘了”的解决方法，很少是最佳的。因为有时候可能忘记了，有时候可能记住了。

即使确实没有忘记，但也可能有问题，如下：

void remodel(std::string & str)

{

　　std::string * ps = new std::string(str);

　　...

　　if (weird_thing())

　　　　throw exception();

　　str = *ps;

　　delete ps;

　　return;

}

当出现异常时，delete将不被执行，因此也将导致内存泄漏；

首先分析一下过程，当remodel()函数终止时，本地变量都将从栈内存中删除——因此指针ps占据的内存将被释放。

如果ps指向的内存也被释放，那该多好啊。如果ps有一个析构函数，该析构函数在ps过期时释放它所指向的内存。

因此问题就在于ps是一个常规的指针，不是有析构函数的类对象。如果它是对象，则可以在对象过期时，让它的析构函数删除指向的内存。

这正是智能指针模板背后的思想。

auto_ptr 是C++98提供的解决方案，但被C++11所摒弃；

C++提供了另外两种解决方案unique_ptr和shared_ptr；

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一、使用智能指针

这三个智能指针模板（auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr）都定义了类似指针的对象，可以将new获得的地址（直接或间接）赋给这种对象。

当智能指针过期时，其析构函数将使用delete来释放内存。

因此如果将new返回的地址赋给这些对象，将无需记住稍后释放这些内存：在智能指针过期时，这些内存将自动释放。

要创建智能指针对象，必须包含头文件memory，该文件模板定义。

然后使用通常的模板语法来实例化所需的类型指针。

例如：模板auto_ptr包含如下构造函数：

template <class X> class auto_ptr {

public:

　　explicit auto_ptr(X*p = 0) throw();

...

};

auto_ptr<double> pd (new double);  //pd是auto_ptr to double，代替了double * pd

auto_ptr<string> ps (new string);     //ps是auto_ptr to string，代替了 string * ps

其中的new double是new返回的指针，指向新分配的内存块。它是构造函数auto_ptr<double>的参数；

因此，要转换remodel()函数，应按照下面3个步骤进行：

1、包含头文件memory；

2、将指向string的指针替换为指向string的智能指针对象；

3、删除delete语句；

下面是使用auto_ptr修改该函数的结果：

#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;

}

注意到智能指针位于std名称空间中，接下来的程序演示了如何使用全部三种指针。

 1 //smrtptrs.cpp -- using three kinds of smart pointers
 2 //requires support of C++11 shared_ptr and unique_ptr
 3 
 4 #include <iostream>
 5 #include <string>
 6 #include <memory>
 7 
 8 class Report
 9 {
10 private:
11     std::string str;    
12 public:
13     Report (const std::string s):str(s)
14                {std::cout<<"Object created!\n";}
15     ~Report() {std::cout<<"Object deleted!\n";}
16     void comment() const {std::cout<<str<<"\n";}  
17 };
18 
19 int main()
20 {
21 {
22     std::auto_ptr<Report> ps (new Report("using auto_ptr"));
23     ps -> comment();  //use -> to invoke a member function
24 }
25 {
26     std::shared_ptr<Report> ps (new Report("using shared_ptr"));
27     ps -> comment();
28 }
29 {
30     std::unique_ptr<Report> ps (new Report("using unique_ptr"));
31     ps->comment();
32 }
33     return 0;
34 }

所有智能指针类都有一个explicit构造函数，该构造函数将指针作为参数。因此不需要自动将指针转换为智能指针对象：//explicit直言的、不隐瞒的；//implicit不言明的、含蓄的

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)

由于智能指针模板类的定义方式，所以其在很多方面都非常像常规指针。

例如，如果ps是一个智能指针对象，则可以对它执行解除引用操作（* ps）、用它来访问结构成员（ps->puffIndex）、将它赋给指向相同类型的常规指针。

还可以将智能指针对象赋给另一个同类型的智能指针对象，但将引起一个问题。在后续会讨论。

但在此之前，先说说对全部三种智能指针都应避免的一点：

string vacation("I wandered lonely as a cloud.");

shared_ptr<string> pvac (&vacation);  //NO!

pvac过期时，程序将把delete运算符用于非堆内存，这是不对的；

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二、有关智能指针的注意事项

为何摒弃auto_ptr呢？首先看下下列语句：

auto_ptr<string> ps (new string("I reigned lonely as cloud."));

auto_ptr<string> vocation;

vocation = ps;

这两个指针将指向同一个string对象，这是不能接受的。因为程序将试图删除同一个对象两次——一次是ps过期时，另一次是vocation过期时。

要避免这种问题，有很多方法：

1、定义赋值运算符，使之执行深复制。这样两个指针将指向不同的对象，其中一个对象是另一个对象的副本。

2、建立所有权（ownership）概念，对特定的对象，只能有一个智能指针可拥有它，这样只有拥有对象的智能指针的析构函数会删除该对象。然后，让赋值操作转让所有权。这就是用于auto_ptr和unique_ptr的策略，但unique_ptr的策略更严格。

3、创建智能更高的指针，跟踪引用特定对象的智能指针数。这称之为引用计数（reference counting）。例如，赋值时，计数将加1，指针过期时，计数将减1。仅当最后一个指针过期时，才调用delete。这是shared_ptr采用的策略。

接下来是一个不适合使用auto_ptr的例子：

 1 //fowl.cpp  -- auto_ptr a poor choice
 2 #include <iostream>
 3 #include <string>
 4 #include <memory>
 5 
 6 int main()
 7 {
 8     using namespace std;
 9     auto_ptr<string> films[5] =
10     {
11         auto_ptr<string> (new string("Fowl Balls")),
12         auto_ptr<string> (new string("Duck Walks")),
13         auto_ptr<string> (new string("Chicken Runs")),
14         auto_ptr<string> (new string("Goose Eggs")),
15         auto_ptr<string> (new string("Turkey Errors"))
16     };
17     auto_ptr<string> pwin;
18     pwin = films[2];
19 
20     cout << "The nominees for best avian basketball film are\n";
21     for (int i = 0; i < 5; i++)
22         cout<<*films[i]<<endl;
23     cout << "The winner is "<< * pwin<<"!\n";
24     cin.get();
25     return 0;  
26 }

下面是程序的输出：

The nominees for best avian baseball film are

Fowl Balls

Duck Walks

Segmentation fault(core dumped)

消息core dumped 表明，错误地使用auto_ptr可能导致问题。问题在于，下面的语句将所有权从film[2]转让给pwin:

pwn = films[2];

当film[2]不再引用该字符串，在auto_ptr放弃对象的所有权后，但有可能会使用它来访问该对象。

当程序打印film[2]指向的字符串时，却发现这是一个空指针，这显然是讨厌的意外。

如果程序使用shared_ptr代替auto_ptr，则程序将正常运行。这次pwinhefilms[2]指向同一个对象，而引用计数从1增加到2。

在程序末尾，后声明的pwin将首先调用其析构函数，该析构函数将引用计数降低到1。

然后，shared_ptr数组的成员被释放，对film[2]调用析构函数，将引用计数降低到0，并释放以前分配的空间。

因此使用shared_ptr，可以保证程序正常运行；使用auto_ptr会导致程序在运行阶段崩溃。

如果使用unique_ptr，结果将如何呢？与auto_ptr一样，unique_ptr也采用所有权模型。但使用unique_ptr时，程序不会等到运行阶段崩溃，而在编译器因下述代码行出现错误：

pwin = films[2];

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三、unique_ptr为何优于auto_ptr

auto_ptr<string> p1 (new string("auto"));   //#1

auto_ptr<string> p2;   //#2

p2 =p1;  //#3

在语句#3中，p2接管string对象的所有权后，p1的所有权将被剥夺。

这是件好事，可以防止p1和p2的析构函数试图删除同一个对象。

但是如果随后程序试图使用p1，这将是件坏事，因为p1不再指向有效数据。

下面来看使用unique_ptr的情况：

unique_ptr<string> p3 (new string (''auto'));   //#4

unique_ptr<string> p4;       //#5

p4 = p3;          //#6

编译器认为语句#6非法，避免了p3不再指向有效数据的问题。

因此，unique_ptr比auto_ptr更安全（编译阶段错误比潜在的程序崩溃更安全）。

//接下来讨论的东西会比较微妙

但有时候，将一个智能指针赋给另一个并不会留下危险的悬挂指针。

假设有如下函数定义：

unique_ptr<string> demo (const char * s)

{

    unique_ptr<string> temp(new string(s));

    return temp;

}

并假设编写了如下代码：

unique_ptr<string> ps;

ps =demo("Uniquely special");

其中demo()返回一个临时unique_ptr，然后ps接管了原本返回归unique_ptr的对象，而返回的unique_ptr被销毁。

这样做没有问题，因为ps拥有了string对象的所有权。 

这里做的另一个好处就是，demo返回的临时unique_ptr被销毁。也就没有机会来使用它返回无效数据。

换句话说，没有理由禁止这种赋值，神奇的是，编译器确实允许这种赋值。

总之，程序试图将unique_ptr赋值给另一个时，如果unique_ptr是一个临时右值的话，编译器允许这样做。

如果源unique_ptr将存在一段时间，编译器将禁止这样做。

//证明unique_ptr比auto_ptr好用

using namespace std;

unique_ptr<string> pu1 (new string "Hi ho!");

unique_ptr<string> pu2;

pu2 = pu1;                                                          //#1 not allowed

unique_ptr<string> pu3;

pu3 = unique_ptr<string>(new string "Yo!");      //#2 allowed

语句1将留下悬挂的unique_ptr指针，这将导致危害。

语句2不会留下悬挂的unique_ptr指针，因为它调用unique_ptr的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权转让给pu3后，会被销毁。

这种随情况而异的行为表明，unique_ptr优于auto_ptr。

//下面这段更加晦涩

如果我们确实想执行类型#1的语句那样的操作的话。

仅当以非智能的方式使用遗弃的智能指针，这种赋值才不安全。

要安全地重用这种指针，可给它赋新值。

C++有一个标准库函数std::move()，让您能够将一个unique_ptr赋给另一个。

using namespace std;

unique_ptr<string> ps1, ps2;

ps1 = demo("Uniquely special");

ps2 = move(ps1);             //允许赋值

ps1 = demo(" and more");

cout<< *ps2 << *ps1 <<endl;

这段代码中用到了移动构造函数和右值引用。

相对于auto_ptr，unique_ptr还有另一个优点。它有一个可用于数组的变体。别忘了，必须将delete和new配对，将delete[]和new[]配对。

而模板auto_ptr使用的是delete，而不是delete []，因此只能与new一起使用，而不能与new []一起使用。

但是unique_ptr有使用new[]和delete[]的版本。

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四、选择智能指针

应该如何选用只能指针？

如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，应选择share_ptr。

这样的情况包括：有一个数组，并使用一些辅助指针来标识特定的元素，如最大的元素和最小的元素；

两个对象都包含指向第三个对象的指针；STL容器包含指针。

很多STL算法都支持赋值和复制操作。这些操作可用于shared_ptr，但不能用于unique_ptr(编译器发出警告)和auto_ptr(行为不确定)。

如果您的编译器没有支持shared_ptr，可使用Boost库提供的shared_ptr。

如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可以使用unique_ptr。

如果函数使用new分配内存，并返回指向该内存的指针，将其返回类型声明为unique_ptr是不错的选择。

这样所有权将转让给接受返回值的unique_ptr，而该指针将负责调用delete。

如果编译器没有提供unique_ptr，可考虑使用BOOST库提供的scoped_ptr，它与unique_ptr类似。