C++智慧指標

1 使用智慧指標的原因
　　我們知道C/C++的指傳統針可以用來通過指向物件地址來間接訪問該物件，但是當某個指標指向人為申請的堆空間，我們時常忘記手動釋放該空間從而造成記憶體洩漏。我們可以看看下面的程式碼：

void outputStr(std::string & str)
{
    std::string *ps = new std::string(str);  
    std::cout<<*ps<<endl;
    ...

    return;
}

　　上面的程式我們可以清晰的看出該函式輸出結果，但是並沒有手動釋放堆記憶體所以會造成記憶體洩漏。所以需要在return之前加入程式碼delete ps;
　　但是有經驗的工程師都知道：凡涉及“別忘了”的解決方法，很少是最佳的。
　　我們來看看下面的變體：

void outputStr(std::string & str)
{
    std::string *ps = new std::string(str);
    ...
    if(...)
        throw exception();
    delete ps;
    return;
}

　　當異常發生時，delete不會被執行，同樣會記憶體洩露。是時候智慧指標出場了，aoto_ptr、shared_ptr、unique_ptr。 aoto_ptr是C++98中提供的，c++11已經將其摒棄了。
2 智慧指標的介紹
　　智慧指標(smart pointer)是儲存指向動態分配（堆）物件指標的類，用於生存期控制，能夠確保自動正確的銷燬動態分配的物件，防止記憶體洩露。
　　智慧指標類通過顯示有參構造將new獲得的地址複製給智慧指標。當智慧指標過期時其解構函式將使用delete來釋放記憶體（例如智慧指標類在某個函式中區域性構造了一個其物件，那麼系統會在跳出函式時呼叫解構函式，而解構函式中系統有delete上面new的地址的語句）。無需記住稍後釋放這些記憶體，在智慧指標過期時，這些記憶體將自動被釋放。
　　它的一種通用實現技術是使用引用計數(reference count)。智慧指標類將一個計數器與類指向的物件相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個物件共享同一指標。每次建立類的新物件時，初始化指標並將引用計數置為1；當物件作為另一物件的副本而建立時，拷貝建構函式拷貝指標並增加與之相應的引用計數；對一個物件進行賦值時，賦值操作符減少左運算元所指物件的引用計數（如果引用計數為減至0，則刪除物件），並增加右運算元所指物件的引用計數；呼叫解構函式時，建構函式減少引用計數（如果引用計數減至0，則刪除基礎物件）。也就是說當多個智慧指標物件有共享同一個指標的時候，當系統依次析構這些物件的時候，引用計數依次減一，直到引用計數變為0，也就是最後一個智慧指標物件去釋放該空間，前面釋放的物件只起到減小引用計數的作用。
　　智慧指標就是模擬指標動作的類。所有的智慧指標都會過載 -> 和 * 操作符。智慧指標還有許多其他功能，比較有用的是自動銷燬。這主要是利用棧物件的有限作用域以及臨時物件（有限作用域實現）解構函式釋放記憶體。當然，智慧指標還不止這些，還包括複製時可以修改源物件等。智慧指標根據需求不同，設計也不同（寫時複製，賦值即釋放物件擁有許可權、引用計數等，控制權轉移等）。
3 智慧指標的使用
　　使用智慧指標的步驟如下：
　　①. 包含對應的標頭檔案：

#include<memory>

　　②. 顯示構造智慧指標類的物件，並複製一個堆空間給它：

aoto_ptr<double> pd(new double);
auto_ptr<string> ps(new string);

unique_ptr<double> pdu(new double);

shared_ptr<string> pss(new string);

　　那如何修改上面的程式，讓普通指標變為智慧指標來管理呢？步驟如下：
　　①. 包含標頭檔案memory;
　　②. 將指向string的指標替換為指向string的智慧指標物件；
　　③. 刪除delete語句。
　　具體實現如下：

#include<memory>
void remodel(std::string & str)
{
    std::auto_ptr<std::string> ps(new std::string(str));
    ...
    if(...)
        throw exception();
    //delete ps;
    return;
}

4 智慧指標的顯示構造
　　我們可以看一下auto_ptr如何定義的：

template<class X> 
class auto_ptr
{
public:
    explicit auto_ptr(X *p = 0) throw();
    ...
};

　　智慧指標的建構函式使用了explicit關鍵字。 explicit關鍵字只能用於修飾只有一個引數的類的建構函式，它的作用是表面該建構函式是顯示的，而非隱式的。可以阻止不應該允許的經過轉換建構函式進行的隱式轉換的發生。
　　我們看一下下面的使用示例：

shared_ptr<double> pd;

double *p_reg = new double;
pd = p_reg;   //錯誤，不允許隱式轉換

pd = shared_ptr<double>(p_reg);//正確

shared_ptr<double> pshared = p_reg;//錯誤，不允許隱式轉換

shared_ptr<double> pshared(p_reg); //正確

5 切忌把智慧指標用於非堆記憶體
　　我們知道由於智慧指標類解構函式中有釋放賦予它地址的操作，一旦我們對一段非堆記憶體釋放將會發生系統報錯。如下：

string vacation("hello world");

shared_ptr<string>pvac(&vacation);

　　當pvac過期時，程式將把delete運算子用於非堆記憶體，這將導致錯誤。
6 三種智慧指標類的區別

#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 Runs")),
        auto_ptr<string> (new string("Turkey Errors")),
        auto_ptr<string> (new string("Goose Eggs"))
};
    auto_ptr<string> pwin;
    pwin = films[2]; // films[2] loses ownership. 將所有權從 films[2]轉讓給pwin，此時films[2]不再引用該字串從而變成空指標

    //unique_ptr<string> pwin; //編譯錯誤
    //pwin = films[2];
    //shared_ptr<string> pwin; //沒有問題！

    cout << "The nominees for best avian baseballl film are\n";
    for(int i = 0; i < 5; ++i)
        cout << *films[i] << endl;
    cout << "The winner is " << *pwin << endl;

    return 0;
}

　　當使用shared_ptr的時候，pwin和films[2]指向同一個物件，而引用計數從1增加到了2。在程式末尾return後，pwin首先呼叫其解構函式，該解構函式將引用計數降低到1，所以不會有問題。 即 :
　　使用auto_ptr 所有權轉讓，執行將會有錯誤 ；
　　使用shared_ptr 指向同一物件，引用計數增加，不會有問題 ；
　　使用unique_ptr 採用所有權模型，編譯就會有錯誤。
　　因此我們也可以看出unique_ptr優於auto_ptr的一個原因：
　　unique_ptr比auto_ptr更安全
　　還有一個原因就是：
　　auto_ptr只能與new一起使用，不能與new[]一起使用（share_ptr同樣）。
　　unique_ptr可以使用new，也可以使用new[] 。
　　分析了這麼多，那麼歸根到底，我們如何選擇呢？
7 如何選擇哪種智慧指標
　　（1）如果程式要使用多個指向同一個物件的指標，應選擇shared_ptr 。
　　這樣的情況包括：
　　①. 有一個指標陣列，並使用一些輔助指標來標示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；
　　②. 兩個物件包含都指向第三個物件的指標；
　　③. STL容器包含指標。
　　很多STL演算法都支援複製和賦值操作，這些操作可用於shared_ptr，但不能用於unique_ptr（編譯器發出warning）和auto_ptr（行為不確定）。如果你的編譯器沒有提供shared_ptr，可使用Boost庫提供的shared_ptr。
　　（2）如果程式不需要多個指向同一個物件的指標，則可使用unique_ptr。
　　如果函式使用new分配記憶體，並返還指向該記憶體的指標，將其返回型別宣告為unique_ptr是不錯的選擇。這樣，所有權轉讓給接受返回值的unique_ptr，而該智慧指標將負責呼叫delete。可將unique_ptr儲存到STL容器在那個，只要不呼叫將一個unique_ptr複製或賦給另一個演算法（如sort()）

---

　　參考文獻：
　　http://blog.csdn.net/wangshubo1989/article/details/48337955
　　http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7561235