C++11标准智能指针 unique_ptr<> 类简单使用实例，和基本原理分析

本文将结合C++11标准中的智能指针std::unique_ptr<>类的简单使用实例，讨论其基本原理，以期快速了解该智能指针类的使用。

std::unique_ptr<> 是什么？

std::unique_ptr<>是C++语言中提供的一种智能指针类，使用它可以方便的管理指针，尽可能的避免内存泄漏。unique_ptr 对象可以用于维护普通（常常用于索引一块内存）的指针，在其生命周期结束后，自动地删除它，并释放相关的内存。unique_ptr 重载了->和*运算符，因此可以像使用普通指针那样使用 unique_ptr 智能指针。下面是一段简单的C++语言代码示例，请看：

#include <iostream>
#include <memory>
 
struct Task
{
    int mId;
    Task(int id ) :mId(id)
    {
        std::cout<<"Task::Constructor"<<std::endl;
    }
    ~Task()
    {
        std::cout<<"Task::Destructor"<<std::endl;
    }
};
 
int main()
{
    // 创建一个 unique_ptr 对象，并且绑定到 new Task(23) 上
    std::unique_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));
    // 通过智能指针访问成员变量
    int id = taskPtr->mId;
    std::cout<<id<<std::endl;
 
    return 0;
}

这段C++语言代码很简单，main() 函数首先创建了一个 unique_ptr 智能指针对象，new Task(23)本来需要一个Task *指针索引，现在直接使用 unique_ptr 对象 taskPtr 管理它，所以代码中没有使用delete删除相应的指针，因为“智能”指针对象 taskPtr 会在相关指针生命周期结束后自动地删除它。编译这段C++语言代码时，记得指定-std=c++11选项，最终得到的输出如下：

# g++ t1.cpp -std=c++11
# ./a.out 
Task::Constructor
23
Task::Destructor

事实上，不管函数是正常还是不正常（程序抛出异常等）的退出，taskPtr 的析构函数总是会被调用的，因此，taskPtr 管理的 raw 指针会被自动删除，避免内存泄漏。

unique_ptr 的“专享所有权”

unique_ptr 中的“unique”一词有着“唯一的，独一无二”的意思，这主要体现在所有权上，某个 raw 指针同时只能被一个 unique_ptr 指针绑定，我们不能拷贝 unique_ptr 对象，只能转移。事实上，鉴于 unique_ptr 对象相对于其管理的 raw 指针的独一无二特性，其内部不需要像shared_ptr<>智能指针类那样需要“引用计数”机制，一旦 unique_ptr 对象的析构函数被调用，它就会删除掉绑定的 raw 指针。

使用 unique_ptr<> 智能指针类

创建一个空 unique_ptr 对象

std::unique_ptr<> 本质上是一个在标准命名空间std中的模板类，使用它需要包含头文件<memory>，例如定义一个可以绑定 int 指针的对象的C++语言代码可以如下写：

#include <memory>

std::unique_ptr<int> ptr;

还可以在定义 unique_ptr 对象的时候传入需要与之绑定的“raw指针”，这一点在前面的C++语言代码实例中已经见过：

std::unique_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));

需要注意，不能直接把 raw 指针直接赋值给 unique_ptr 对象，也就是说下面这行C++语言代码是非法的：

taskPtr = new Task(23); // 非法

检查 unique_ptr 对象是否为空

上面定义的 unique_ptr 对象 ptr 没有与任何 raw 指针绑定，因此它是空的。检查 unique_ptr 对象是否为空，一般有两种方法，相关的C++语言代码示例如下，请看：

if(!ptr)
    std::cout<<"ptr is empty"<<std::endl;

if(ptr == nullptr)
    std::cout<<"ptr is empty"<<std::endl;

重置（reset）unique_ptr

调用 unique_ptr 的 reset() 方法将删除与之绑定的 raw 指针，并且将 unique_ptr 对象置空：

taskPtr.reset();
// taskPtr==nullptr 为真

上面这行C++语言代码执行后，与 taskPtr 绑定的 raw 指针将会被删除，并且 taskPtr 被置空，也即taskPtr==nullptr为真。

unique_ptr 对象不可拷贝

鉴于 unique_ptr 不可拷贝，只能移动，所以我们不能通过拷贝构造函数活着赋值操作拷贝 unique_ptr 对象，下面这两行C++语言代码都是非法的：

std::unique_ptr<Task> taskPtr2 = taskPtr; // 非法
taskPtr = taskPtr2; // 非法

转移 unique_ptr 对象的所有权

如前文所述，我们不能拷贝 unique_ptr 对象，却可以移动它，所谓“移动”，其实就是转移所有权，请看下面这个示例，首先创建一个 unique_ptr 对象：

std::unique_ptr<Task> taskPtr2(new Task(55));

此时 taskPtr2 显然不为空。现在将其对绑定 raw 指针的所有权转移到一个新的 unique_ptr 对象，相关的C++语言代码可以如下写：

std::unique_ptr<Task> taskPtr4 = std::move(taskPtr2);
 
if(taskPtr2 == nullptr)
    std::cout<<"taskPtr2 is  empty"<<std::endl;

// taskPtr2 对 raw 指针的所有权被转移给 taskPtr4 了
if(taskPtr4 != nullptr)
    std::cout<<"taskPtr4 is not empty"<<std::endl;

std::move() 函数将 taskPtr2 转换为右值（rvalue）引用，所以 unique_ptr 的移动构造函数可以将与 taskPtr2 绑定的 raw 指针转移给 taskPtr4，在这之后，taskPtr2 变为空。

释放对绑定 raw 指针的所有权

unique_ptr 的 release() 函数可以直接将对绑定 raw 指针的所有权释放，该函数会将绑定的 raw 指针返回，请看下面的C++语言代码示例：

std::unique_ptr<Task> taskPtr5(new Task(55));
 
if(taskPtr5 != nullptr)
    std::cout<<"taskPtr5 is not empty"<<std::endl;
 
// 释放所有权
Task * ptr = taskPtr5.release();
 
if(taskPtr5 == nullptr)
    std::cout<<"taskPtr5 is empty"<<std::endl;

执行完上面的代码后，taskPtr5 变为空，并且其绑定的 raw 指针被赋值给 ptr。

下面以一段完整的C++语言代码示例结束本文：

#include <iostream>
#include <memory>
 
struct Task
{
    int mId;
    Task(int id ) :mId(id)
    {
        std::cout<<"Task::Constructor"<<std::endl;
    }
    ~Task()
    {
        std::cout<<"Task::Destructor"<<std::endl;
    }
};
 
int main()
{
    std::unique_ptr<int> ptr1;
    if(!ptr1)
        std::cout<<"ptr1 is empty"<<std::endl;
    if(ptr1 == nullptr)
        std::cout<<"ptr1 is empty"<<std::endl;
 
    // 不能直接将 raw 指针赋值给 unique_ptr 对象
    // std::unique_ptr<Task> taskPtr2 = new Task(); // 非法
 
    std::unique_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));
    if(taskPtr != nullptr)
        std::cout<<"taskPtr is  not empty"<<std::endl;
    // 通过 unique_ptr 直接访问成员变量
    std::cout<< taskPtr->mId <<std::endl;
    
    taskPtr.reset();
    std::cout<<"Reset the taskPtr"<<std::endl;
    if(taskPtr == nullptr)
        std::cout<<"taskPtr is empty"<<std::endl;
    
    std::unique_ptr<Task> taskPtr2(new Task(55));
    // unique_ptr 不可赋值，不可拷贝
    //taskPtr = taskPtr2; // 非法
    //std::unique_ptr<Task> taskPtr3 = taskPtr2; // 非法
 
    {
        // 转移所有权
        std::unique_ptr<Task> taskPtr4 = std::move(taskPtr2);
        if(taskPtr2 == nullptr)
            std::cout<<"taskPtr2 is  empty"<<std::endl;
        if(taskPtr4 != nullptr)
            std::cout<<"taskPtr4 is not empty"<<std::endl;
        // taskPtr4 作用域尾部，生命周期结束，
        // 将删除 taskPtr2 转移过来的 raw 指针
    }
    std::unique_ptr<Task> taskPtr5(new Task(55));
    // 释放所有权
    Task * ptr = taskPtr5.release();
    if(taskPtr5 == nullptr)
        std::cout<<"taskPtr5 is empty"<<std::endl;
    std::cout<<ptr->mId<<std::endl;
    // 此时需要手动删除用完的指针
    delete ptr;
 
    return 0;
}

同样的，编译时需要指定-std=c++11，最终输出如下，请看：

# g++ t2.cpp -std=c++11
# ./a.out 
ptr1 is empty
ptr1 is empty
Task::Constructor
taskPtr is  not empty
23
Task::Destructor
Reset the taskPtr
taskPtr is empty
Task::Constructor
taskPtr2 is  empty
taskPtr4 is not empty
Task::Destructor
Task::Constructor
taskPtr5 is empty
55
Task::Destructor

本文主要讨论了C++11标准中的智能指针 unique_ptr 类的基本使用和一些相关注意事项。不过应该明白，文中的示例使用的deleter是 unique_ptr 的默认 deleter，也即delete方法，这样的局限性实际上很大，原因和解决方法可以参考：shared_ptr自定义deleter 。