旭穹の陋室

智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象（类）。当栈对象的生存周期结束后（离开对象的作用域，如函数结束），会在析构函数中释放掉申请的内存，不需要手动释放内存空间，从而规避内存泄漏的风险。

auto_ptr

auto_ptr是C++ 98标准的方案，在C++ 11标准中已经弃用，采用独占所有权模式，看下面这个例子：

std::auto_ptr<string> p1 (new string ("Hello World")); 
std::auto_ptr<string> p2; 
p2 = p1; 		// 编译不会报错，但p1会被置成nullptr

auto_ptr的赋值操作在编译时不会报错，但p2剥夺了p1的所有权，使得p1成为一个空指针。所以当程序运行时访问p1将会报错。这也是促使auto_ptr的被弃用的原因。

unique_ptr

作为接替auto_ptr的独占资源所有权的智能指针，其特点如下：

• 独占式拥有或严格拥有, 保证同一时间内只有一个智能指针可以指向该对象；
• 常见用法：使用 std::unique_ptr 自动管理内存，基本的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）思想；

{
    std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(200);
    //...
    // 离开 uptr 的作用域的时候自动释放内存
}

• 采用独占所有权模式，不允许左值赋值操作，但可以接受临时右值（引用）的赋值，即这里的operator=不是copy赋值操作符，而是move赋值操作符；

std::unique_ptr<string> p1 (new string ("Hello World")); 
std::unique_ptr<string> p2; 
p2 = p1; 												// 编译报错
std::unique_ptr<string> p3;
p3 = unique_ptr<string>(new string ("Hello World"));   	// 允许
std::unique_ptr<string> p4;
p4 = std::move(p1);										// 允许

其内在逻辑是左值（拷贝）赋值操作p2 = p1;后，无法合理的处理左值p1的去留。若采用auto_ptr的思路，将p1置为nullptr，则会重走带来潜在的访问null指针而程序崩溃风险的老路，若置之不理，则不满足独占的属性，所以干脆就不允许这样做。而右值赋值则不存在这样的问题，右值本身就是临时的，在赋值给左值后就会被销毁，左值仍然独占资源。std::move就是将一个左值转换成右值引用，从而实现移动语义。移动语义的存在就是在强调转移所有权，即这时候你是清楚地知道p1对资源的所有权发生了转移，所以即便还是出现了p1已经被销毁，不再可用的情况，那么后面乱用p1而导致程序崩溃的代价也应当由乱用者来承担。

• 可以指向一个数组；

// 实测C++14标准下，以下两种写法都支持
std::unique_ptr<int[]> uptr = std::make_unique<int[]>(10);
// or
std::unique_ptr<int[]> uptr(new int[10]);

• 可以自定义deleter；

{
    struct FileCloser {
        void operator()(FILE* fp) const {
            if (fp != nullptr) {
                fclose(fp);
            }
        }   
    };  
    std::unique_ptr<FILE, FileCloser> uptr(fopen("test_file.txt", "w"));
}

• 可以使用lambda函数形式的deleter；

{
    std::unique_ptr<FILE, std::function<void(FILE*)>> uptr(
        fopen("test_file.txt", "w"), [](FILE* fp) {
            fclose(fp);
        });
}

shared_ptr

std::shared_ptr是引用计数型智慧指针（reference-counting smart pointers，RCSP），其特点如下：

• 共享式拥有，多个智能指针可以指向相同的对象，该对象和其相关资源会在最后一个指向它的指针被销毁时被释放；
• 使用计数机制来表明资源被几个指针共享。可以通过成员函数use_count()来查看资源的所有者个数;

{
    std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(200);
    assert(sptr.use_count() == 1);  // 此时引用计数为 1
    {   
        std::shared_ptr<int> sptr1 = sptr;
        assert(sptr.get() == sptr1.get());
        assert(sptr.use_count() == 2);   // sptr 和 sptr1 共享资源，引用计数为 2
    }   
    assert(sptr.use_count() == 1);   // sptr1 已经释放
}
// use_count 为 0 时自动释放内存

• 可以指向一个数组；

// 实测 std::make_shared<int[]> 这种写法直到C++20标准才支持
std::shared_ptr<int[]> sptr = std::make_shared<int[]>(10);
// or
std::shared_ptr<int[]> sptr(new int[10]);

• 可以自定义deleter；

{
    std::shared_ptr<FILE> sptr(
        fopen("test_file.txt", "w"), [](FILE* fp) {
            std::cout << "close " << fp << std::endl;
            fclose(fp);
        });
}

• 常用的成员函数：

  • use_count：返回引用计数的个数；

  • unique：返回是否为独占所有权( use_count 为 1)，C++17标准已弃用；

  • swap：交换两个 shared_ptr 所拥有的对象；

  • reset：放弃拥有对象的所有权或拥有对象的变更（参数为一个新的对象，表示放弃原对象，转而指向新对象），会引起原有对象的引用计数的减少；

  • get：返回内部对象的裸指针,；

• 出于性能和异常安全的考虑，尽量使用make_shared进行初始化，详细讨论见这里。

weak_ptr

share_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效（两个指针的引用计数永远不可能下降为0），从而导致内存泄漏。可以看下面这个例子：

class B;	//声明
class A
{
public:
	shared_ptr<B> pb_;
	~A() { cout << "A delete\n" }
};

class B
{
public:
	shared_ptr<A> pa_;
	~B() { cout << "B delete\n"; }
};

void fun()
{
	shared_ptr<B> pb(new B());
	shared_ptr<A> pa(new A());
	cout << pb.use_count() << endl;	//1
	cout << pa.use_count() << endl;	//1
	pb->pa_ = pa;
	pa->pb_ = pb;
	cout << pb.use_count() << endl;	//2
	cout << pa.use_count() << endl;	//2
}
//函数退出后，pa，pb指针析构，引用计数各自减1，但两者引用计数还是为1，从而导致A，B的析构函数不会被调用，资源没有被释放，造成内存泄漏

weak_ptr 是为了配合shared_ptr而引入的智能指针，它是一种不控制对象生命周期的智能指针, 指向一个 shared_ptr 管理的对象，只可以从一个shared_ptr或另一个weak_ptr对象构造，是shared_ptr的附属。因此，真正管理对象的还是强引用的shared_ptr，weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段，类似于观察者的角色，weak_ptr的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少，weak_ptr也无法直接访问对象的成员方法，除非将其转化成强引用的shared_ptr。其特点还有：

• weak_ptr和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给weak_ptr，weak_ptr可以通过调用lock成员函数来转化为shared_ptr；
• weak_ptr可以用来解决shared_ptr相互引用的死锁问题；

class B;	//声明
class A
{
public:
	weak_ptr<B> pb_;
	~A() { cout << "A delete\n" }
};

class B
{
public:
	shared_ptr<A> pa_;
	~B() { cout << "B delete\n"; }
	void print() { cout << "B print\n"; }
};

void fun()
{
	shared_ptr<B> pb(new B());
	shared_ptr<A> pa(new A());
	cout << pb.use_count() << endl;	//1
	cout << pa.use_count() << endl;	//1
	pb->pa_ = pa;
	pa->pb_ = pb;
	cout << pb.use_count() << endl;	//1
	cout << pa.use_count() << endl;	//2
}
// 资源B的引用开始就只有1，当pb指针析构时，B的计数变为0，B对象得到释放，调用B的析构函数（打印B delete），
// B释放的同时pa_指针析构，也会使A的计数减1，同时pa析构时使A的计数减1，那么A的计数为0，A得到释放，调用A的析构函数（打印A delete）。

• 常用的成员函数：

  • expired：用于检测所管理的对象是否已经释放, 如果已经释放, 返回 true; 否则返回 false；
  • weak_ptr 没有重载operator*和operator->，所以不能通过weak_ptr直接访问对象的方法，比如B类的对象中有一个方法print()，我们不能这样访问：pa->pb_->print()；
  • lock：用于获取所管理的对象的强引用shared_ptr. 如果 expired 为 true, 返回一个空的 shared_ptr; 否则返回一个 shared_ptr, 其内部对象的指向与 weak_ptr 相同。故可以用如下方式访问B类对象的print()方法：

  shared_ptr<B> p = pa->pb_.lock();
  p->print();
  

  • use_count：返回与 shared_ptr 共享的对象的引用计数；
  • reset：将 weak_ptr 置空；
  • weak_ptr 支持拷贝或赋值, 但不会影响对应的 shared_ptr 内部对象的计数；

[1] 详解C++11智能指针

[2] 现代 C++：一文读懂智能指针