C++智能指针
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。本文章介绍三个可帮助管理动态内存分配的只能指针模板。先来看需要哪些功能以及这些功能是如何实现的。请看下面的函数
void remodel(std::string & str) { std::string *ps = new std::string(str); ... str = ps; return ; } |
你可能发现了其中的缺陷。每当调用时，该函数都分配堆中的内存，，但从不回收，从而导致内存泄露。你可能也知道解决之道------只要别忘了在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。因为你有时可能忘了，有时可能记住了，但可能在不经意间删除或注释了这些代码。即使确实没有忘记，也可能有问题。请看下面的变体：
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露。
当remodel()这样的函数终止（不管是正常终止，还是由于出现了异常而终止），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，那该有多好啊。如果ps有一个析构函数，该析构函数在ps过期时释放他指向的内存。因此，ps的问题在于，它只是一个常规指针，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auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr背后的思想。模板auto_ptr是C++98提供的解决方案，C++已将其摒弃，并提供了另外两种解决方案。然而，虽然auto_ptr被摒弃，但它已使用了多年同时，如果您的编译器不支持其他两种解决方案，auto_ptr将是唯一的选择。
使用智能指针
这三个智能指针模板（auto_ptr，unique_ptr，shared_ptr）都定义了类似指针的对象，可以将new获得（直接或间接）的地址赋给这个对象。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，这些内存将自动被释放。下图说明了auto_ptr和常规指针在行为方面的差别；shared_ptr和unique_ptr的行为与auto_ptr相同。
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类型的指针。例如，模板auto_ptr包含如下构造函数：
template<class X> class auto_ptr { explicit auto_ptr(X *p = 0)throw(); ... }; |
throw()意味这构造函数不会引发异常：与auto_ptr一样，throw()也被摒弃。因此，请求X类型的auto_ptr将获得一个指向X类型的auto_ptr:
auto_ptr<double>pd(new double);//pd an auto_ptr to double //(use in place of double *pd) auto_ptr<string>ps(new string);//ps an auto_ptr to string //(use in place of string *ps) |
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，即对应于原型中形参p的实参。同样，new string也是构造函数的实参。其他两种智能指针使用同样的语法：
unique_ptr<double> pdu(new double);//pdu an unique_ptr to double shared_ptr<string> pss(new string);//pss a shared_ptr to string |
因此。要转换remodel()函数，应按下面3个步骤进行：
- 包含头文件memory；
- 将指向string的指针替换为指向string的智能指针对象；
- 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 ;
}
注意到智能指针模板位于命名空间std中。下面是一个简单的程序，演示了如何使用全部三种智能指针。每个智能指针都放在一个代码块内，这样离开代码块时，指针将过期。Report类使用方法报告对象的创建和销毁。
//smrtptrs.cpp -- using three kinds of smart pointers //requires support of C++11 shared_ptr and unique_ptr #include <iostream> #include <string> #include <memory> using namespace std; class Report { public: Report(const string s) : str(s) { cout << "Object created!" << endl; } ~Report() { cout << "Object deleted!" << endl; } void comment() const { cout << str << endl; } private: string str; }; int main() { { auto_ptr<Report> ps(new Report("using auto_ptr")); ps->comment(); } { shared_ptr<Report> ps(new Report("using shared_ptr")); ps->comment(); } { unique_ptr<Report> ps(new Report("using unique_ptr")); ps->comment(); } system("pause"); return 0; } |
程序输出结果：
所有智能指针类都一个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：
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，智能指针对象的很多方面都类似于常规指针。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)、将他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智能指针对象，但将引起一个问题，这将在下面进行讨论。
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，这是错误的。
有关智能指针的注意事项
先来看下面的赋值语句：
auto_ptr<string> ps(new string(“I reigned lonely as a cloud”));
auto_ptr<string> vocation;
vocation = ps;
上述赋值语句将完成什么工作呢？如果ps和vocation是常规指针，则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同对象两次——一次是ps过期时，一次vocation过期时。要避免这种问题，方法有多种。
l 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，其中的一个对象是另一个对象的副本。
l 建立所有权（ownership）概念，对于特定的对象，只能有一个智能指针可拥有它，这样只有拥有和unique_ptr的策略，但unique_ptr的策略更严格。
l 创建智能更高的指针，跟踪引用特定对象的智能指针数。这称为引用计数（reference counting）。这是shared_ptr采用的策略。
当然，同样的策略也适用于复制构造函数。
每种方法都有其用途。如下程序不适合使用auto_ptr的实例
#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 Run")), auto_ptr<string> (new string("Turkey Errors")), auto_ptr<string> (new string("Goose Eggs")) }; auto_ptr<string> pwin; pwin = films[2]; cout << "The nominees for best avian baseball film are \n"; for (int i = 0; i < 5; i++) { cout << *films[i] << endl; } cout << "The winner is " << *pwin << endl; cin.get(); return 0; } |
该程序的输出：
这里的问题在于，下面的语句所有权从film[2]转让给pwin：
pwin = films[2];//films[2] loses ownership
这导致films[2]不再引用该字符串。在auto_ptr放弃对象的所有权后，便可能使用它来访问该对象。当程序打印films[2]指向的字符串时，却发现这是一个空指针，这显然讨厌的意外。
如果在上面程序中使用shared_ptr代替auto_ptr，则程序将正常运行，其输出如下：
这次pwin和films[2]指向同一个对象，而引用计数从1增加到2。在程序末尾，后申明的pwin首先调用其析构函数，该析构函数将引用技术降低到1.然后，shared_ptr数组的成员被释放，对filmsp[2]调用析构函数时，将引用计数降低到0，并释放以前分配的空间。
如果使用unique_ptr结果会怎么样呢？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，而是出现语法错误，如下
pwin = films[2];
unique_ptr为何优于auto_ptr
请看下面的语句：
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的所有权被剥夺。前面说过，这是件好事，可防止p1和p2的析构函数试图删除同一个对象；但如果程序随后试图使用p1，这将是件坏事，因为p1不再指向有效的数据。
下面来看使用unique_ptr的情况：
unique_ptr<string> p3(new string("auto"));//#4 unique_ptr<string> p4;//#5 p3 = p4;//#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)。
但有时候，有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"); |
demo()返回一个临时unique_ptr，然后ps接管了原本归返回的unique_ptr所有的对象，而返回的unique_ptr被销毁。这没有问题，因为ps拥有了string对象的所有权。但这里的另一个好处是，demo()返回的临时unique_ptr很快被销毁，没有机会使用它来访问无效的数据。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，程序试图讲一个unique_ptr赋给另一个时，如果源unique_ptr是一个临时右值，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：
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(pu1)，这可能导致危害。语句#2不会留下的unique_ptr，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后就会被销毁。这种隋情况而异的行为表明，unique_ptr优于允许两种赋值的auto_ptr。这也是禁止(只是一个建议，编译器并不禁止)在容器对象中使用auto_ptr，但允许使用unique_ptr的原因。如果容器算法试图对包含unique_ptr的容器执行类似于语句#1的操作，将导致编译错误；如果算法试图执行类似于语句#2的操作，则不会有任何问题，而对于auto_ptr，类似于语句#1的操作可能导致不确定的行为和神秘的崩溃。
当然，你可能确实想执行类似于语句#1的操作。仅当以非智能的方式使用遗弃的智能指针（如解除引用时），这种赋值不安全。要安全重入这种指针，可給它赋新值。C++有一个标准库函数std：：move()，让你能能够将一个unique_ptr赋给另一个。下面是一个使用前述demo()函数的例子，该函数返回一个unique_ptr<string>对象：
unique_ptr<string> ps1, ps2; ps1 = demo("Uniquely special"); ps2 = move(ps1); ps1 = demo(" and more"); cout << *ps2 << *ps1 << endl; |
相比于auto_ptr，unique_ptr还有一个另一个优点。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。模板auto_ptr使用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unique_ptr有使用new []和delete []的版本：
unique_ptr<double []>pda(new double(5));//will use delete []
警告：使用new分配内存时，才能使用auto_ptr和shared_ptr，使用new []分配内存时，不能使用它们，不使用new分配内存时，不能使用auto_ptr或shared_ptr；不适用new []分配内存时，不能使用unique_ptr。