智能指针再解剖

智能指针模拟实现： http://blog.youkuaiyun.com/snow_5288/article/details/53262810

在以上文章中，我们对库里的某些智能指针进行了模拟实现，今天就来学习解剖一下库里的智能指针的实现和使用。

一、总括

对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并非指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。
接口：
- - 所有智能指针都重载了“operator->”操作符，直接返回对象的引用，用来操作对象。
- - 访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。
- - 访问智能指针包含的裸指针则可以用 get() 函数。
- - 由于智能指针是一个对象，所以if (my_smart_object)永远为真，要判断智能指针的裸指针是否为空，需要这样判断：if (my_smart_object.get()).
- - 智能指针包含了 reset() 方法，如果不传递参数（或者传递 NULL），则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象，则智能指针会释放当前对象，来管理新传入的对象。

下面编写一个测试类来辅助分析：

class Simple
{
public:
    Simple(int num = 0)
        :_num(num)
    {
        cout << "Simple:" << _num << endl;
    }
    ~Simple()
    {
        cout << "~Simple:" << _num << endl;
    }
    void PrintSomething()
    {
        cout << "PrintSomething:" << _info.c_str() << endl;
    }
    int _num;
    static string _info;
};
string Simple::_info = "";

二、std::auto_ptr

std::auto_ptr 属于 STL，在 namespace std 中，包含头文件 #include 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。

auto_ptr的接口：

测试用例：

void TestAutoPtr1()
{
    auto_ptr<Simple> ap1(new Simple(1));//创建对象，输出：Simple：1
    if (ap1.get())//判断智能指针是否为空
    {
        ap1->PrintSomething();// 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
        ap1.get()->_info = "hello";// 使用 get() 返回裸指针，然后给内部对象赋值
        ap1->PrintSomething();// 再次打印，表明上述赋值成功
        (*ap1)._info += " world";// 使用 operator* 返回智能指针内部对象，然后用“.”调用
        ap1->PrintSomething();// 再次打印，表明上述赋值成功
    }
    // ap1栈对象即将结束生命期，析构堆对象 Simple(1)
}

运行结果：

但是，好景不长：

void TestAutoPtr2()
{
    auto_ptr<Simple> ap1(new Simple(2));//创建对象，输出：Simple：2
    if (ap1.get())
    {
        std::auto_ptr<Simple> ap2;// 创建一个新的 ap2 对象
        ap2 = ap1;             // 复制旧的 ap1 给 ap2
        ap2->PrintSomething();// 输出信息，复制成功
        ap1->PrintSomething();// 崩溃,因为ap1已经失去了内存的管理权
    }
}

最终如上代码导致崩溃，如上代码时绝对符合 C++ 编程思想的，居然崩溃了，跟进 std::auto_ptr 的源码后，我们看到，罪魁祸首是“ap2 = ap1”，这行代码，ap2 完全夺取了 ap1 的内存管理所有权，导致 ap1 悬空，最后使用时导致崩溃。
所以，使用 std::auto_ptr 时，绝对不能使用“operator=”操作符。作为一个库，不允许用户使用，确没有明确拒绝，多少会觉得有点出乎预料。

接着往下看：

void TestAutoPtr3()
{
    auto_ptr<Simple> ap1(new Simple(3));//创建对象，输出：Simple：3

    if (ap1.get())
    {
        ap1.release();//std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权
    }
}

运行结果：

看到什么异常了吗？我们创建出来的对象没有被析构，没有输出 “~Simple: 3”，导致内存泄露。当我们不想让ap1继续生存下去，我们调用 release() 函数释放内存，结果却导致内存泄露（在内存受限系统中，如果ap1占用太多内存，我们会考虑在使用完成后，立刻归还，而不是等到 ap1 结束生命期后才归还）。

正确的代码：

void TestAutoPtr3() 
{
  std::auto_ptr<Simple> ap1(new Simple(3));
  if (ap1.get()) 
  {
    Simple* temp = ap1.release();
    delete temp;
  }

或

void TestAutoPtr3()
 {
  std::auto_ptr<Simple> ap1(new Simple(3));
  if (ap1.get())
  {
    ap1.reset();  // 释放 ap1 内部管理的内存
  }
}

auto_ptr总结：
std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存，但是，请注意如下几点：
（1） 尽量不要使用“operator=”。如果使用了，请不要再使用先前对象。
（2） 记住 release() 函数不会释放对象，仅仅归还所有权。
（3） std::auto_ptr 最好不要当成参数传递（读者可以自行写代码确定为什么不能）。
（4） 由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题，有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。
（5） ……
由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题，一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想，所以引发了下面 boost 的智能指针，boost 智能指针可以解决如上问题。

三、boost::scoped_ptr（独享所有权）

boost::scoped_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp>便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样，可以方便的管理单个堆内存对象，特别的是，boost::scoped_ptr 独享所有权，避免了 std::auto_ptr 恼人的几个问题。

应用举例：

void TestScopedPtr() 
{
  boost::scoped_ptr<Simple> ap1(new Simple(1));
  if (ap1.get()) 
  {
    ap1->PrintSomething();
    ap1.get()->_info = "hello";
    ap1->PrintSomething();
    (*ap1)._info+= " world";
    ap1->PrintSomething();

    ap1.release();           // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数
    std::auto_ptr<Simple> ap2;
    ap1 = ap1;        // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=，不会导致所有权转移
  }
}

首先，我们可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数，不会导致先前的内存泄露问题。
其次，由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的，所以明确拒绝用户写“ap2 = ap1”之类的语句，可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。
由于 boost::scoped_ptr 独享所有权，当我们真正需要复制智能指针时，需求便满足不了了，如此我们再引入一个智能指针，专门用于处理复制，参数传递的情况，这便是如下的 boost::shared_ptr。

四、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include

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

void TestSharedPtr2() 
{
  boost::shared_ptr<Simple> ap(new Simple(1));
  if (ap.get()) 
  {
    ap->PrintSomething();
    ap.get()->_info = "hello";
    ap->PrintSomething();
    (*ap)._info += " world";
    ap->PrintSomething();
  }

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

  //ap.release();// 编译 error: 同样，shared_ptr 也没有 release 函数
}

执行结果：
Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: hello
PrintSomething: hello world
TestSharedPtr2 UseCount: 1
PrintSomething: hello world
TestSharedPtr UseCount: 2
TestSharedPtr2 UseCount: 1
~Simple: 1

总结：boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点，boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数，由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ，此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果，我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中，引用计数为 1，传递参数后（此处进行了一次复制），在函数TestSharedPtr 内部，引用计数为2，在 TestSharedPtr 返回后，引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候，boost::shared_ptr 是再好不过的了。

五、boost::scoped_array

boost::scoped_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include

void TestScopedArray() 
{
      boost::scoped_array<Simple> ap(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化
      if (ap.get()) {
        ap[0].PrintSomething();
        ap.get()[0]._info= "Addition";
        ap[0].PrintSomething();
        (*ap)[0]._info+= " other";            // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
        ap[0].release();                             // 同上，没有 release 函数
        boost::scoped_array<Simple> ap2;
        ap2= ap;     // 编译 error，同上，没有重载 operator=
      }
    }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持复制，并且初始化的时候需要使用动态数组。另外，boost::scoped_array 没有重载“operator*”，其实这并无大碍，一般情况下，我们使用 get() 函数更明确些。
下面肯定应该讲 boost::shared_array 了，一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。

六、boost::shared_array

boost::shared_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) 
{  // 注意：无需使用 reference (或 const reference)

  cout<<"TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count()<<endl;
}

void TestSharedArray2() 
{
  boost::shared_array<Simple> ap(new Simple[2]);
  if (ap.get()) {
    ap[0].PrintSomething();
    ap.get()[0]._info= "Addition 00";
    ap[0].PrintSomething();
    pa[1].PrintSomething();
    ap.get()[1]._info = "Addition 11";
    ap[1].PrintSomething();
    //(*ap)[0]._info+= " other";  // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
  }
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << ap.use_count() << std::endl;
  TestSharedArray(ap);
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << ap.use_count() << std::endl;
}

运行结果：
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

七、boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include

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;
}

执行结果：
Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1

我们看到，尽管被赋值了，内部的引用计数并没有什么变化，当然，读者也可以试试传递参数等其他情况。
现在要说的问题是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？从上面那个例子看来，似乎没有任何作用，其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中，可以在基类（此处的基类并非抽象基类，而是指继承于抽象基类的虚基类）中定义一个 boost::weak_ptr，用于指向子类的 boost::shared_ptr，这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了，而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数，用以降低复杂度，更好的管理对象。

八、boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include

九、总结

1、在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想，而且极容易出错。
2、在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr（当然动态数组使用 boost::scoped_array）。
3、在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr（当然动态数组使用 boost::shared_array）。
4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下，使用 boost::weak_ptr，一般常用于软件框架设计中。
5、最后一点，也是要求最苛刻一点：在你的代码中，不要出现 delete 关键字（或 C 语言的 free 函数），因为可以用智能指针去管理。

参考文章：http://blog.youkuaiyun.com/xt_xiaotian/article/details/5714477