C++14 智慧指標unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr

記憶體控制這一大毒瘤，幾乎一直伴隨著C/C++工程師。隨著計算機技術的發展，在boost準標準庫的推動下，C++11終於將unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr這幾類智慧指標納入C++中。當然，在這之前還有一種auto_ptr智慧指標，不過由於它的設計存在較大問題（比如：auto_ptr與STL不相容），現階段已經很少能看到它的出現了。

感謝@毛毛是我的小可愛 在評論中指出“ 標題說的還是C++14,文章開頭就跑出C++11。請嚴謹一點！”。
這裡說明一下，（1）上文中提到C++11出現了智慧指標unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr，（2）但是文中的程式碼示例使用了make_unique()和std::move()，這些為C++14中的內容。

---

智慧指標實質是一個物件，行為表現的卻像一個指標。

---

shared_ptr和unique_ptr之間的區別在於：shared_ptr是引用計數的智慧指標，而unique_ptr不是。這意味著，可以有多個shared_ptr例項指向同一塊動態分配的記憶體，當最後一個shared_ptr離開作用域時，才會釋放這塊記憶體。shared_ptr也是執行緒安全的。 另一方面，unique_ptr意味著所有權。單個unique_ptr離開作用域時，會立即釋放底層記憶體。

2018-2-28更新 ：感謝@奔跑的哇牛 在留言中說到shared_ptr本身不是執行緒安全的。是的，shared_ptr本身不是執行緒安全的。陳碩的書中也明確提到了，shared_ptr的計數功能是原子的，但物件的讀寫不是原子的。c++標準也只是保證的是weak_ptr的lock()指標提升是執行緒安全的。所以，要實現執行緒安全，可能需要weak_ptr與shared_ptr配合使用，詳見陳碩的多執行緒書籍。

也可以參考：http://www.pandademo.com/2017/08/thread-safety-of-shared_ptr-and-weak_ptr/

預設的智慧指標應該是unique_ptr。只有需要共享資源時，才使用shared_ptr。

這兩個智慧指標都需要包含<memory>標頭檔案。

在開始本文之前，首先給出一個類。因為下文中，為了演示智慧指標的使用方式，在較多時候都有用到這個類demo。

#include <memory>
#include <utility> //std::move()

class demo {
public:
	demo() : uptr(std::make_unique<int[]>(10)){
		printf("demo\n");
		for (int i = 0; i < 10; ++i){
			uptr[i] = i;
		}
	}
	~demo(){
		printf("~demo\n");
	}
	void show(){
		printf("%d\n", uptr[9]);
	}
private:
	std::unique_ptr<int[]> uptr;
};

unique_ptr

unique_ptr是唯一的，適用於儲存動態分配的舊C風格的陣列。auto關鍵字會自動識別指標型別，當與make_unique配合使用時，即表示unique_ptr智慧指標。

void my_unique_ptr(){
	auto uptr = std::make_unique<int[]>(10);
	uptr[5] = 17;
	printf("%d\n", uptr[5]);
}

這裡應該總是使用auto/make_unique寫法。除非編譯器不支援的情況下，可以這樣寫，

std::unique_ptr<int[]> uptr(new int[10]);
//std::unique_ptr<int[]> uptr = new int[10];//error

注意，上文中，被註釋的那種寫法是不被接受的。再整理一下，unique_ptr可以有以下使用方式，

void my_unique_ptr2(){
	auto uptr = std::make_unique<demo>();
	uptr->show();
	std::unique_ptr<demo> uptr2(new demo());///等效寫法
	uptr2->show();
}

另外，需要說明的是，unique_ptr無法使用拷貝建構函式的，上文已經提到過了，這裡再給出一個示例，

void my_unique_ptr3(){
	auto uptr = std::make_unique<int>(42);
	printf("%d\n", *uptr);//42
	///std::unique_ptr<int> uptr1 = uptr; ///unique_ptr無拷貝建構函式
	///std::unique_ptr<int> uptr1(uptr);  ///等效寫法
	std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr);
	///printf("%d\n",*uptr); ///error 所有權已交給uptr2
	printf("%d\n", *uptr2);
}

既然，無法使用拷貝建構函式，那麼就無法直接使用賦值“=”來轉移指標所有權。但是C++14設計者給開了另外一扇門：std::move。它被包含在<utility>標頭檔案中。

shared_ptr

shared_ptr用法與unique_ptr類似。如果編譯器支援，你應該總是使用auto/make_shared的寫法，它比直接建立shared_ptr更高效。

void my_shared_ptr(){
	///auto sptr = std::make_shared<int[]>(10); //error
	///sptr[6] = 20;
	auto sptr = std::make_shared<demo>();
	sptr->show();
}

上文中已經提到了，智慧指標家族中，unique_ptr是唯一可以適用於舊C風格陣列的指標，shared_ptr等其他智慧指標不能。

shared_ptr除了用於管理純粹的記憶體之外還可以用於其他的目的，比如管理FILE、SOCKET等，極大的增加了程式設計的方便性。

void auto_run_fun(FILE* f){
	printf("auto running.\n");
	fclose(f);
}

void my_shared_ptr2(){
	FILE* f = fopen("data.txt","w");
	std::shared_ptr<FILE> file_ptr(f, auto_run_fun);
}

由於shared_ptr是引用計數的，這裡需要極為注意的一點是：糟糕！只呼叫一次建構函式，卻呼叫了兩次解構函式。

正確的使用方式應該是使用make_shared和拷貝建構函式建立副本。範例如下，

void my_shared_ptr3(){
	/*demo* d = new demo();
	std::shared_ptr<demo> sptr1(d);
	std::shared_ptr<demo> sptr2(d);//~demo() error
	*/
	auto sptr3 = std::make_shared<demo>();
	std::shared_ptr<demo> sptr4(sptr3); ///shared_ptr拷貝建構函式
}

shared_ptr引用計數，完全可以返回一個子函式的指標。 在以往的認知中，子函式中的棧空間上的記憶體是無法返回的，而子函式中堆空間上的記憶體是可以返回的（同時，還必須注意手動釋放它，否則必然記憶體洩漏）。

std::shared_ptr<demo> my_shared_ptr4(){
	auto sptr = std::make_shared<demo>();
	return sptr;
}

那麼，對於以上程式碼的返回值，下文中這樣子使用它，也是非常正確的。

my_shared_ptr4()->show();

智慧指標，完全繼承了JAVA和C#中記憶體託管的風格，而且智慧指標在很多情況下完全可以具體推算出：它會在何時被釋放。

關於shared_ptr更多使用方式，推薦《C++14 N叉樹使用shared_ptr智慧指標》 一文。

weak_ptr

weak_ptr是shared_ptr的黃金夥伴。從上文知道shared_ptr與shared_ptr之間，每拷貝一次，引用計數就會+1，而如果使用weak_ptr則不會出現這個現象。

如果將一個shared_ptr指標賦值給weak_ptr指標，對shared_ptr指標本身不會造成任何影響。對於weak_ptr指標來說，卻可以通過一些方法來探測被賦值過來的shared_ptr指標的有效性，同時weak_ptr指標也可以間接操縱shared_ptr指標。以下主要介紹兩個方法：

• lock() ，weak_ptr指標呼叫lock()方法會獲得一個返回值：shared_ptr。而這個返回值就是被賦值過來的shared_ptr指標，那麼指標都獲得了，當然可以操縱它。
• expired() ，該方法主要用來探測shared_ptr指標的有效性。shared_ptr一旦被釋放，指標就會被置為nullptr。

///weak_ptr -> shared_ptr
void my_weak_ptr(){
	std::weak_ptr<demo> wptr;
	{
		auto sptr = std::make_shared<demo>();
		wptr = sptr;
		auto sptr2 = wptr.lock();
		if (!wptr.expired()){///等價於sptr2 != nullptr
			printf("shared_ptr ok\n");
			sptr2->show();
		}
	}
	if (wptr.expired()){
		printf("shared_ptr deleted\n");
	}
}

以上程式碼中，之所以要加個大括號{}在文中，主要是：為了利用變數的作用域原理。 讓shared_ptr指標離開{}作用域後，立即被釋放。

©為徑
2018-12-27（修改） 北京 海淀

---

參考文獻：

Marc, Gregoire. C++高階程式設計（第3版）[M]. 北京:清華大學出版社, 2015. 630-636