C++ 智慧指標詳解

一、簡介

由於 C++ 語言沒有自動記憶體回收機制，程式設計師每次 new 出來的記憶體都要手動 delete。程式設計師忘記 delete，流程太複雜，最終導致沒有 delete，異常導致程式過早退出，沒有執行 delete 的情況並不罕見。

用智慧指標便可以有效緩解這類問題，本文主要講解參見的智慧指標的用法。包括：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost:: intrusive_ptr。你可能會想，如此多的智慧指標就為了解決new、delete匹配問題，真的有必要嗎？看完這篇文章後，我想你心裡自然會有答案。

下面就按照順序講解如上 7 種智慧指標（smart_ptr）。

二、具體使用

1、總括

對於編譯器來說，智慧指標實際上是一個棧物件，並非指標型別，在棧物件生命期即將結束時，智慧指標通過解構函式釋放有它管理的堆記憶體。所有智慧指標都過載了“operator->”操作符，直接返回物件的引用，用以操作物件。訪問智慧指標原來的方法則使用“.”操作符。

訪問智慧指標包含的裸指標則可以用 get() 函式。由於智慧指標是一個物件，所以if (my_smart_object)永遠為真，要判斷智慧指標的裸指標是否為空，需要這樣判斷：if (my_smart_object.get())。

智慧指標包含了 reset() 方法，如果不傳遞引數（或者傳遞 NULL），則智慧指標會釋放當前管理的記憶體。如果傳遞一個物件，則智慧指標會釋放當前物件，來管理新傳入的物件。

我們編寫一個測試類來輔助分析：

class Simple {
 public:
  Simple(int param = 0) {
    number = param;
    std::cout << "Simple: " << number << std::endl; 
  }

  ~Simple() {
    std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  }

  void PrintSomething() {
    std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  }

  std::string info_extend;
  int number;
};

2、std::auto_ptr

std::auto_ptr 屬於 STL，當然在 namespace std 中，包含標頭檔案 #include 便可以使用。std::auto_ptr 能夠方便的管理單個堆記憶體物件。

我們從程式碼開始分析：

void TestAutoPtr() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 建立物件，輸出：Simple：1
if (my_memory.get()) {                            // 判斷智慧指標是否為空
my_memory->PrintSomething();                    // 使用 operator-> 呼叫智慧指標物件中的函式
my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指標，然後給內部物件賦值
my_memory->PrintSomething();                    // 再次列印，表明上述賦值成功
(*my_memory).info_extend += " other";           // 使用 operator* 返回智慧指標內部物件，然後用“.”呼叫智慧指標物件中的函式
my_memory->PrintSomething();                    // 再次列印，表明上述賦值成功
  }
}                                                   // my_memory 棧物件即將結束生命期，析構堆物件 Simple(1)

執行結果為：

Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
~Simple: 1

上述為正常使用 std::auto_ptr 的程式碼，一切似乎都良好，無論如何不用我們顯示使用該死的delete 了。

其實好景不長，我們看看如下的另一個例子：

void TestAutoPtr2() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;   // 建立一個新的 my_memory2 物件
    my_memory2 = my_memory;             // 複製舊的 my_memory 給 my_memory2
    my_memory2->PrintSomething();       // 輸出資訊，複製成功
    my_memory->PrintSomething();        // 崩潰
  }
}

最終如上程式碼導致崩潰，如上程式碼時絕對符合 C++ 程式設計思想的，居然崩潰了，跟進 std::auto_ptr 的原始碼後，我們看到，罪魁禍首是“my_memory2 = my_memory”，這行程式碼，my_memory2 完全奪取了 my_memory 的記憶體管理所有權，導致 my_memory 懸空，最後使用時導致崩潰。

所以，使用 std::auto_ptr 時，絕對不能使用“operator=”操作符。作為一個庫，不允許使用者使用，確沒有明確拒絕[1]，多少會覺得有點出乎預料。

看完 std::auto_ptr 好景不長的第一個例子後，讓我們再來看一個：

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

  if (my_memory.get()) {
    my_memory.release();
  }
}

執行結果為：

Simple: 1

看到什麼異常了嗎？我們建立出來的物件沒有被析構，沒有輸出“~Simple: 1”，導致記憶體洩露。當我們不想讓 my_memory 繼續生存下去，我們呼叫 release() 函式釋放記憶體，結果卻導致記憶體洩露（在記憶體受限系統中，如果my_memory佔用太多記憶體，我們會考慮在使用完成後，立刻歸還，而不是等到 my_memory 結束生命期後才歸還）。

正確的程式碼應該為：

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    Simple* temp_memory = my_memory.release();
    delete temp_memory;
  }
}

或

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    my_memory.reset();  // 釋放 my_memory 內部管理的記憶體
  }
}

原來 std::auto_ptr 的 release() 函式只是讓出記憶體所有權，這顯然也不符合 C++ 程式設計思想。

總結：std::auto_ptr 可用來管理單個物件的對記憶體，但是，請注意如下幾點：

（1）    儘量不要使用“operator=”。如果使用了，請不要再使用先前物件。

（2）    記住 release() 函式不會釋放物件，僅僅歸還所有權。

（3）    std::auto_ptr 最好不要當成引數傳遞（讀者可以自行寫程式碼確定為什麼不能）。

（4）    由於 std::auto_ptr 的“operator=”問題，有其管理的物件不能放入 std::vector等容器中。

（5）    ……

使用一個 std::auto_ptr 的限制還真多，還不能用來管理堆記憶體陣列，這應該是你目前在想的事情吧，我也覺得限制挺多的，哪天一個不小心，就導致問題了。

由於 std::auto_ptr 引發了諸多問題，一些設計並不是非常符合 C++ 程式設計思想，所以引發了下面 boost 的智慧指標，boost 智慧指標可以解決如上問題。

讓我們繼續向下看。

3、boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 屬於 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含標頭檔案 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一樣，可以方便的管理單個堆記憶體物件，特別的是，boost::scoped_ptr 獨享所有權，避免了 std::auto_ptr 惱人的幾個問題。

我們還是從程式碼開始分析：

void TestScopedPtr() {
  boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    my_memory->PrintSomething();
    my_memory.get()->info_extend = "Addition";
    my_memory->PrintSomething();
    (*my_memory).info_extend += " other";
    my_memory->PrintSomething();

    my_memory.release();           // 編譯 error: scoped_ptr 沒有 release 函式
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
    my_memory2 = my_memory;        // 編譯 error: scoped_ptr 沒有過載 operator=，不會導致所有權轉移
  }
}

首先，我們可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一樣正常使用。但其沒有 release() 函式，不會導致先前的記憶體洩露問題。其次，由於 boost::scoped_ptr 是獨享所有權的，所以明確拒絕使用者寫“my_memory2 = my_memory”之類的語句，可以緩解 std::auto_ptr 幾個惱人的問題。

由於 boost::scoped_ptr 獨享所有權，當我們真真需要複製智慧指標時，需求便滿足不了了，如此我們再引入一個智慧指標，專門用於處理複製，引數傳遞的情況，這便是如下的 boost::shared_ptr。

4、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 屬於 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含標頭檔案 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我們看到 boost::scoped_ptr 獨享所有權，不允許賦值、拷貝，boost::shared_ptr 是專門用於共享所有權的，由於要共享所有權，其在內部使用了引用計數。boost::shared_ptr 也是用於管理單個堆記憶體物件的。

我們還是從程式碼開始分析：

void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) {  // 注意：無需使用 reference (或 const reference)
  memory->PrintSomething();
  std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}

void TestSharedPtr2() {
  boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    my_memory->PrintSomething();
    my_memory.get()->info_extend = "Addition";
    my_memory->PrintSomething();
    (*my_memory).info_extend += " other";
    my_memory->PrintSomething();
  }

  std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedPtr(my_memory);
  std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

  //my_memory.release();// 編譯 error: 同樣，shared_ptr 也沒有 release 函式
}

執行結果為：

Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr2 UseCount: 1
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr UseCount: 2
TestSharedPtr2 UseCount: 1
~Simple: 1

boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。並且沒有 release() 函式。關鍵的一點，boost::shared_ptr 內部維護了一個引用計數，由此可以支援複製、引數傳遞等。boost::shared_ptr提供了一個函式 use_count() ，此函式返回 boost::shared_ptr 內部的引用計數。檢視執行結果，我們可以看到在 TestSharedPtr2 函式中，引用計數為 1，傳遞引數後（此處進行了一次複製），在函式TestSharedPtr 內部，引用計數為2，在 TestSharedPtr 返回後，引用計數又降低為 1。當我們需要使用一個共享物件的時候，boost::shared_ptr 是再好不過的了。

在此，我們已經看完單個物件的智慧指標管理，關於智慧指標管理陣列，我們接下來講到。

5、boost::scoped_array

boost::scoped_array 屬於 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含標頭檔案 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

boost::scoped_array 便是用於管理動態陣列的。跟 boost::scoped_ptr 一樣，也是獨享所有權的。

我們還是從程式碼開始分析：

void TestScopedArray() {
      boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用記憶體陣列來初始化
      if (my_memory.get()) {
        my_memory[0].PrintSomething();
        my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
        my_memory[0].PrintSomething();
        (*my_memory)[0].info_extend += " other";            // 編譯 error，scoped_ptr 沒有過載 operator*
        my_memory[0].release();                             // 同上，沒有 release 函式
        boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
        my_memory2 = my_memory;                             // 編譯 error，同上，沒有過載 operator=
      }
    }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支援複製，並且初始化的時候需要使用動態陣列。另外，boost::scoped_array 沒有過載“operator*”，其實這並無大礙，一般情況下，我們使用 get() 函式更明確些。

下面肯定應該講 boost::shared_array 了，一個用引用計數解決複製、引數傳遞的智慧指標類。

6、boost::shared_array

boost::shared_array 屬於 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含標頭檔案 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

由於 boost::scoped_array 獨享所有權，顯然在很多情況下（引數傳遞、物件賦值等）不滿足需求，由此我們引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一樣，內部使用了引用計數。

我們還是從程式碼開始分析：

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 注意：無需使用 reference (或 const reference)
  std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}

void TestSharedArray2() {
  boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
  if (my_memory.get()) {
    my_memory[0].PrintSomething();
    my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
    my_memory[0].PrintSomething();
    my_memory[1].PrintSomething();
    my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
    my_memory[1].PrintSomething();
    //(*my_memory)[0].info_extend += " other";  // 編譯 error，scoped_ptr 沒有過載 operator*
  }
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedArray(my_memory);
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

執行結果為：

Simple: 0
Simple: 0
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 00
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 11
TestSharedArray2 UseCount: 1
TestSharedArray UseCount: 2
TestSharedArray2 UseCount: 1
~Simple: 0
~Simple: 0

跟 boost::shared_ptr 一樣，使用了引用計數，可以複製，通過引數來傳遞。

至此，我們講過的智慧指標有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。這幾個智慧指標已經基本夠我們使用了，90%的使用過標準智慧指標的程式碼就這 5 種。可如下還有兩種智慧指標，它們肯定有用，但有什麼用處呢，一起看看吧。

7、boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 屬於 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含標頭檔案 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

在講 boost::weak_ptr 之前，讓我們先回顧一下前面講解的內容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 這兩個智慧指標就可以解決所有單個物件記憶體的管理了，這兒還多出一個 boost::weak_ptr，是否還有某些情況我們沒納入考慮呢？

回答：有。首先 boost::weak_ptr 是專門為 boost::shared_ptr 而準備的。有時候，我們只關心能否使用物件，並不關心內部的引用計數。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的觀察者（Observer）物件，觀察者意味著 boost::weak_ptr 只對 boost::shared_ptr 進行引用，而不改變其引用計數，當被觀察的 boost::shared_ptr 失效後，相應的 boost::weak_ptr 也相應失效。

我們還是從程式碼開始分析：

void TestWeakPtr() {
      boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
      boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

      std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
      my_memory_weak = my_memory;
      std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

執行結果為：

Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1

我們看到，儘管被賦值了，內部的引用計數並沒有什麼變化，當然，讀者也可以試試傳遞引數等其他情況。

現在要說的問題是，boost::weak_ptr 到底有什麼作用呢？從上面那個例子看來，似乎沒有任何作用，其實 boost::weak_ptr 主要用在軟體架構設計中，可以在基類（此處的基類並非抽象基類，而是指繼承於抽象基類的虛基類）中定義一個 boost::weak_ptr，用於指向子類的 boost::shared_ptr，這樣基類僅僅觀察自己的 boost::weak_ptr 是否為空就知道子類有沒對自己賦值了，而不用影響子類 boost::shared_ptr 的引用計數，用以降低複雜度，更好的管理物件。

8、boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr屬於 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含標頭檔案 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

講完如上 6 種智慧指標後，對於一般程式來說 C++ 堆記憶體管理就夠用了，現在有多了一種boost::intrusive_ptr，這是一種插入式的智慧指標，內部不含有引用計數，需要程式設計師自己加入引用計數，不然編譯不過（⊙﹏⊙b汗）。個人感覺這個智慧指標沒太大用處，至少我沒用過。有興趣的朋友自己研究一下原始碼哦J。

三、總結

如上講了這麼多智慧指標，有必要對這些智慧指標做個總結：

1、在可以使用 boost 庫的場合下，拒絕使用 std::auto_ptr，因為其不僅不符合 C++ 程式設計思想，而且極容易出錯[2]。

2、在確定物件無需共享的情況下，使用 boost::scoped_ptr（當然動態陣列使用 boost::scoped_array）。

3、在物件需要共享的情況下，使用 boost::shared_ptr（當然動態陣列使用 boost::shared_array）。

4、在需要訪問 boost::shared_ptr 物件，而又不想改變其引用計數的情況下，使用 boost::weak_ptr，一般常用於軟體框架設計中。

5、最後一點，也是要求最苛刻一點：在你的程式碼中，不要出現 delete 關鍵字（或 C 語言的free 函式），因為可以用智慧指標去管理。