一文掌握 C++ 智能指針的使用方法

更新時(shí)間：2021年09月10日 16:45:22 作者：佚名

C++11 引入了智能指針的概念，使用了引用計(jì)數(shù)的想法，讓程序員不再需要關(guān)心手動(dòng)釋放內(nèi)存。關(guān)于C++指針得內(nèi)容下面文章將為大家做一個(gè)詳細(xì)介紹

一、RAII 與引用計(jì)數(shù)

了解 Objective-C/Swift 的程序員應(yīng)該知道引用計(jì)數(shù)的概念。引用計(jì)數(shù)這種計(jì)數(shù)是為了防止內(nèi)存泄露而產(chǎn)生的。

基本想法是對(duì)于動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象，進(jìn)行引用計(jì)數(shù)，每當(dāng)增加一次對(duì)同一個(gè)對(duì)象的引用，那么引用對(duì)象的引用計(jì)數(shù)就會(huì)增加一次，每刪除一次引用，引用計(jì)數(shù)就會(huì)減一，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減為零時(shí)，就自動(dòng)刪除指向的堆內(nèi)存。

在傳統(tǒng)C++中，『記得』手動(dòng)釋放資源，總不是最佳實(shí)踐。因?yàn)槲覀兒苡锌赡芫屯浟巳メ尫刨Y源而導(dǎo)致泄露。所以通常的做法是對(duì)于一個(gè)對(duì)象而言，我們?cè)跇?gòu)造函數(shù)的時(shí)候申請(qǐng)空間，而在析構(gòu)函數(shù)（在離開(kāi)作用域時(shí)調(diào)用）的時(shí)候釋放空間，也就是我們常說(shuō)的 RAII 資源獲取即初始化技術(shù)。

凡事都有例外，我們總會(huì)有需要將對(duì)象在自由存儲(chǔ)上分配的需求，在傳統(tǒng) C++ 里我們只好使用 new 和 delete 去『記得』對(duì)資源進(jìn)行釋放。而 C++11 引入了智能指針的概念，使用了引用計(jì)數(shù)的想法，讓程序員不再需要關(guān)心手動(dòng)釋放內(nèi)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>。

注意：引用計(jì)數(shù)不是垃圾回收，引用計(jì)數(shù)能夠盡快收回不再被使用的對(duì)象，同時(shí)在回收的過(guò)程中也不會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)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(gè) shared_ptr 共同指向一個(gè)對(duì)象，從而消除顯式的調(diào)用 delete，當(dāng)引用計(jì)數(shù)變?yōu)榱愕臅r(shí)候就會(huì)將對(duì)象自動(dòng)刪除。

但還不夠，因?yàn)槭褂?std::shared_ptr 仍然需要使用 new 來(lái)調(diào)用，這使得代碼出現(xiàn)了某種程度上的不對(duì)稱。

std::make_shared 就能夠用來(lái)消除顯式的使用 new，所以 std::make_shared 會(huì)分配創(chuàng)建傳入?yún)?shù)中的對(duì)象，并返回這個(gè)對(duì)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(guò) get() 方法來(lái)獲取原始指針，通過(guò) reset() 來(lái)減少一個(gè)引用計(jì)數(shù)，并通過(guò) use_count() 來(lái)查看一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)。例如：

auto pointer = std::make_shared<int>(10);  
auto pointerpointer2 = pointer; // 引用計(jì)數(shù)+1  
auto pointerpointer3 = pointer; // 引用計(jì)數(shù)+1  
int *p = pointer.get(); // 這樣不會(huì)增加引用計(jì)數(shù)  
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(dú)占的智能指針，它禁止其他智能指針與其共享同一個(gè)對(duì)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 并不復(fù)雜，C++11 沒(méi)有提供 std::make_unique，可以自行實(shí)現(xiàn)：

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

至于為什么沒(méi)有提供，C++ 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因?yàn)椤罕凰麄兺浟恕弧?/p>

既然是獨(dú)占，換句話說(shuō)就是不可復(fù)制。但是，我們可以利用 std::move 將其轉(zhuǎn)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(wú)輸出  
        if(p1) p1->foo();  
        p1 = std::move(p2);  
        // p2 為空, 無(wú)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(shí)例會(huì)在離開(kāi)作用域時(shí)被銷毀  
}

四、std::weak_ptr

如果你仔細(xì)思考 std::shared_ptr 就會(huì)發(fā)現(xiàn)依然存在著資源無(wú)法釋放的問(wèn)題。看下面這個(gè)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(yùn)行結(jié)果是 A, B 都不會(huì)被銷毀，這是因?yàn)?a,b 內(nèi)部的 pointer 同時(shí)又引用了 a,b，這使得 a,b 的引用計(jì)數(shù)均變?yōu)榱?code> 2，而離開(kāi)作用域時(shí)，a,b 智能指針被析構(gòu)，卻只能造成這塊區(qū)域的引用計(jì)數(shù)減一。

這樣就導(dǎo)致了 a,b 對(duì)象指向的內(nèi)存區(qū)域引用計(jì)數(shù)不為零，而外部已經(jīng)沒(méi)有辦法找到這塊區(qū)域了，也就造成了內(nèi)存泄露，如圖 1：

解決這個(gè)問(wèn)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(qiáng)引用）。

弱引用不會(huì)引起引用計(jì)數(shù)增加，當(dāng)換用弱引用時(shí)候，最終的釋放流程如圖 2 所示：

在上圖中，最后一步只剩下 B，而 B 并沒(méi)有任何智能指針引用它，因此這塊內(nèi)存資源也會(huì)被釋放。

std::weak_ptr 沒(méi)有 * 運(yùn)算符和 -> 運(yùn)算符，所以不能夠?qū)Y源進(jìn)行操作，它的唯一作用就是用于檢查 std::shared_ptr 是否存在，其 expired() 方法能在資源未被釋放時(shí)，會(huì)返回 false，否則返回 true。