c++中智能指针使用小结

简介

指针是c/c++中重要的概念，也因为指针，难倒了许多人。

举个例子，对于malloc或new出来的内存，是在堆上分配的。那么从该内存分配完成的时刻开始，这块内存就由应用程序来管理了，包括使用和释放。

c程序中很多与内存管理相关的bug，很大的一块就是忘记释放内存导致的内存泄漏，最终导致系统崩溃。可以说，c编程人员在内存管理上耗费了大量的时间和精力。

c中只有指针，没有智能指针的概念。c++中引入了智能指针，c++11作了进一步的优化和扩展。本文主要介绍c++11中的智能指针。

直接使用裸指针有以下劣势：

• 裸指针在声明中未表明它指向的是单个对象还是一个数组（我遇到过一个指向基类数组的裸指针，这对于使用者可能导致崩溃）
• 裸指针作为参数传递时，程序使用者在使用完毕后不清楚是否应该释放它，设计和编码上的缺陷和疏忽极可能导致内存泄漏
• 裸指针的析构也存在不确定性，如使用delete/delete[]，还是要有专门的析构函数，使用错误可能导致未定义的行为
• 使用裸指针后，即使知道需要析构，也可能存在某条路径上忘记析构，或者重复析构的情况，这会导致内存泄漏/未定义的行为
• 裸指针在使用时没有确切的方式来检测它的有效性（比如原来的指向已经发生了变化），或者存在野指针，导致崩溃

以上裸指针的缺点，可以使用面向对象的方法加以解决。智能指针其实就是对裸指针进行了包装，利用对象生命周期结束自动析构的特点完成自动管理。

c11中共有四种智能指针：std::auto_ptr, std::unique_ptr, std::shared_ptr, std::weak_ptr

auto_ptr是c++98遗留的已经被弃用的特性，它有一些缺陷，目前已经由unique_ptr取代。下面逐一介绍。

unique_ptr管理专属所有权的资源

忠告：当你想到要使用智能指针时，第一选择应该就是unique_ptr，当它不适用时，再考虑使用其他指针。

原因：

• unique_ptr和裸指针大小相当，即使用的空间小
• 执行的操作与裸指针指令基本相同，即速度相当快

特点：

• unique_ptr实现的是专属所有权语义。专属所有权的对立面是共享所有权。
• 一个非空的unique_ptr总是拥有所指向的资源，它只移类型，不能复制。移动后源指针会被置空。
• 默认对其内部的裸指针使用delete完成析构，也可以自定义析构器，即指定析构时调用的函数，使用 unique_ptr的第二个实参指定，自定义析构器会增大其尺寸。
• 不能直接将new出来的裸指针赋值给unique_ptr，而应该使用reset成员函数。
• 可以直接通过赋值的方式将Unique_ptr转换为shared_ptr。
• 提供了数组形式的unique_ptr<T[]>，但不如使用vector数据结构好，不推荐使用。

用途：

• 作为工厂函数的返回类型（一般工厂函数返回堆对象，并由调用者负责释放内存）
• 实现Pimpl用法，即在类中声明一个指向实现的成员变量，这样有利于减小依赖

shared_ptr管理共享所有权资源

与unique_ptr相对应，shared_ptr支持复制、赋值等操作，因为多个shared_ptr可以指向同一个对象，只有当最后一个指向该对象的shared_ptr失效时，对象才被析构。

特点：

• shared_ptr通过引用计数来确定自己是否是最后一个指向某对象，引用计数表明了指向该对象的shared_ptr数量
• shared_ptr构造时，增加引用计数，析构时减小。引用计数的操作是原子的，否则多个线程操作同一个对象的shared_ptr时会一致性问题，这会影响效率
• 正是附加信息的存在，shared_ptr的尺寸是裸指针的两倍
• 引用计数的内存也是动态分配的
• 对shared_ptr执行移动操作会将源shared_ptr置空，移动操作不会增加引用计数，所以它比复制的效率高
• 默认使用delete析构资源，可以指定析构器，与unique_ptr析构器是智能指针类型的一部分不同，它的实现形式为：std::shared_ptr<Foo> spf(new Foo, MyDel)
• 每一个由shared_ptr管理的对象都有一个控制块，该控制块内包含引用计数、弱计数、自定义删除器等其他数据，示意图如下所示。

• 创建首个指向对象的shared_ptr时，会依据以下规则创建控制块：

  • std::make_shared总是会创建控制块
  • 从具备专属所有权的指针出发构造shared_ptr时，会创建控制块
  • 使用裸指针作为实参调用shared_ptr的构造函数创建智能指针时，创建控制块

• 永远不要使用同一个裸指针出发来构造多个shared_ptr，这会创建多个控制块，产生多重引用计数，导致多次析构！

// 错误做法
auto pf = new Foo;
shared_ptr<Foo> spf1(pf); // 创建控制块，引用计数减为0时，析构
shared_ptr<Foo> spf2(pf); // 又创建了控制块，引用计数减为0时，再次析构，结果未定义！

// 正确的做法
shared_ptr<Foo> spf1(new Foo);// 创建控制块，引用计数减为0时，析构
shared_ptr<Foo> spf2(spf1);// 不会创建控制块

// 更好的做法
shared_ptr<Foo> spf1 = std::make_shared<Foo>();// 创建控制块，引用计数减为0时，析构
shared_ptr<Foo> spf2(spf1);// 不会创建控制块

• 同上一条，不要使用this来构建多个shared_ptr，使用shared_from_this()。

对于有可能空悬的shared_ptr使用weak_ptr

weak_ptr与shared_ptr类似，但它无需管理所指向的对象的共享所有权。即它影响指向对象的引用计数。那么它所指向的对象有可能已经被析构，即空悬的指针。

从某种意义上说，weak_ptr不是独立的智能指针，而是shared_ptr的扩充。weak_ptr由shared_ptr创建，但它不增加引用计数，如下：

auto spf = std::make_shared<Foo>(); // 创建控制块，引用计数为1

std::weak_ptr<Foo> wpf(spf); // wpf/spf指向同一个Foo，引用计数仍然是1

spf = nullptr; // 引用计数变为0，Foo被析构，此时wpf悬空

if (wpf.expired())
{
	// true
}

特点：

• weak_ptr提供了一种检测指针有效性的方法
• 可以通过检测，在原子操作中再访问该资源，方法是通过weak_ptr创建出shared_ptr，如下：

// 使用lock函数，若创建失败，返回nullptr
std::shared_ptr<Foo> spf1 = wpf.lock();
auto spf2 = wpf.lock;

// 使用构造函数，如果wpf失效，则抛出异常
std::shared_ptr<Foo> spf3(wpf);

• 关于shared_ptr环路，可以使用weak_ptr，如下：

关于B指向A的指针：

1. 如果使用裸指针，当A被析构，C仍然指向B，则B保存的A的空悬指针，B无法检测出来
2. 如果使用shared_ptr，A和B相互保存着指向对方的shared_ptr，这种环路会阻止AB的析构，两者互相保持引用计数为1，导致内存泄漏
3. 使用weak_ptr，若A被析构，B的weak_ptr会空悬，且B能够检测出来。尽管AB互相引用，但B的weak_ptr不会增加A的引用计数，A可以正常析构

当然，这种环路指针一般可以从设计上避免。在继承式的数据结构中，子结点通常被父节点拥有，当父节点析构时，子节点也应该被析构。

因此，从父节点到子节点链接可以用unique_ptr，而由子到父的反向链接可以用裸指针。因为子节点的生存期不会比父节点长，不会存在子节点去使用指向父节点空悬指针的风险。

优先使用make_shared

好处：

• 减少代码重复，make_shared返回的总是shared_ptr
• 异常安全性的考虑，如下两行代码：

// 可能导致内存泄漏
processFoo(std::shared_ptr<Foo>(new Foo), someOthreWork); // 与语句执行顺序有关，someOthreWork抛出异常可能导致已经new的内存泄漏
// 不会有泄漏
processFoo(std::make_shared<Foo>(), someOthreWork);

• 性能提升。它能使编译器有机会利用更简洁的数据结构产生更小的更快的代码。

// 直接使用new
std::shared_ptr<Foo> spf(new Foo);// 引发2次内存分配，new一次，产生控制块一次
auto spf = std::make_shared_ptr<Foo>();// 仅一次内存分配，既保存Foo，又保存控制块

限制：

• 所有make系列函数都不支持自定义析构器，所以在需要使用自定义析构器的情况下，得使用new
• make系列函数会向对象的构造函数完美转发其形参，且使用圆括号而非大括号，所以在需要使用大括号初始化物来创建对象指针时，得使用new。如下：

// 产生10个元素，每个元素值为20的vector
auto spv = std::make_shared<std::vector<int>>(10, 20);// 使用圆括号，优先匹配形参为非std::initializer_list的构造函数

// 产生2个元素，值分别为10和20
auto initList = {10, 20};
auto spv = std::make_shared_ptr<std::vector<int>>(initList);

• 具有自定义版本的operator new/operator delete的类而言，全局版本的分配/释放函数不再适用，不能使用make函数。
• make高效的内存管理方式带来的一个副作用是，只有当与对象关联的控制块释放时，对象才会被释放。而控制块的释放同时依赖于shared_ptr和weak_ptr。当对象尺寸较大，且weak_ptr最后析构的时间较长时，建议使用new

总结

关于c11智能指针的基础内容应该有了一个清晰的了解，这里作一总结：

• 现代c++程序中应该不再需要出现裸指针
• 优先考虑使用unique_ptr，它小而快，且可以在任何需要的时候转换为shared_ptr，反之则不然
• 使用shared_ptr时要注意那些可能导致问题的用法，如不要用同一个裸指针给多个shared_ptr赋值，需要用this时，使用shared_from_this()函数
• 能使用make系列函数时就使用，不能使用时要想办法使用（前提是要正确）
• 不要再考虑使用auto_ptr了

参考资料

《Effective Modern C++》