C++11新特性之八：smart pointers

一.智能指針的作用
C++程序設(shè)計(jì)中使用堆內(nèi)存是非常頻繁的操作，堆內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放都由程序員自己管理。程序員自己管理堆內(nèi)存可以提高了程序的效率，但是整體來(lái)說(shuō)堆內(nèi)存的管理是麻煩的，C++11中引入了智能指針的概念，方便管理堆內(nèi)存。使用普通指針，容易造成堆內(nèi)存泄露（忘記釋放），二次釋放，程序發(fā)生異常時(shí)內(nèi)存泄露等問(wèn)題等，使用智能指針能更好的管理堆內(nèi)存。
理解智能指針需要從下面三個(gè)層次：
1.從較淺的層面看，智能指針是利用了一種叫做RAII（資源獲取即初始化）的技術(shù)對(duì)普通的指針進(jìn)行封裝，這使得智能指針實(shí)質(zhì)是一個(gè)對(duì)象，行為表現(xiàn)的卻像一個(gè)指針。
2.智能指針的作用是防止忘記調(diào)用delete釋放內(nèi)存和程序異常的進(jìn)入catch塊忘記釋放內(nèi)存。另外指針的釋放時(shí)機(jī)也是非常有考究的，多次釋放同一個(gè)指針會(huì)造成程序崩潰，這些都可以通過(guò)智能指針來(lái)解決。
3.智能指針還有一個(gè)作用是把值語(yǔ)義轉(zhuǎn)換成引用語(yǔ)義。C++和Java有一處最大的區(qū)別在于語(yǔ)義不同，在Java里面下列代碼：

Animal a = new Animal();
Animal b = a;

你當(dāng)然知道，這里其實(shí)只生成了一個(gè)對(duì)象，a和b僅僅是把持對(duì)象的引用而已。但在C++中不是這樣，

Animal a;
Animal b = a;

這里卻是就是生成了兩個(gè)對(duì)象。
關(guān)于值語(yǔ)義參考這篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html

二.C++11中的智能指針

unique_ptr：如果內(nèi)存資源的所有權(quán)不需要共享，就應(yīng)當(dāng)使用這個(gè)（它沒(méi)有拷貝構(gòu)造函數(shù)），但是它可以轉(zhuǎn)讓給另一個(gè)unique_ptr（存在move構(gòu)造函數(shù)）。
shared_ptr： 如果內(nèi)存資源需要共享，那么使用這個(gè)（所以叫這個(gè)名字）。
weak_ptr：持有被shared_ptr所管理對(duì)象的引用，但是不會(huì)改變引用計(jì)數(shù)值。它被用來(lái)打破依賴循環(huán)（想象在一個(gè)tree結(jié)構(gòu)中，父節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)共享所有權(quán)的引用(shared_ptr)引用子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)子節(jié)點(diǎn)又必須持有父節(jié)點(diǎn)的引用。如果這第二個(gè)引用也共享所有權(quán)，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)循環(huán)，最終兩個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存都無(wú)法釋放）。
另一方面，auto_ptr已經(jīng)被廢棄，不會(huì)再使用了。

什么時(shí)候使用unique_ptr，什么時(shí)候使用shared_ptr取決于對(duì)所有權(quán)的需求，我建議閱讀以下的討論：

http://stackoverflow.com/questions/15648844/using-smart-pointers-for-class-members

以下第一個(gè)例子使用了unique_ptr。如果你想把對(duì)象所有權(quán)轉(zhuǎn)移給另一個(gè)unique_ptr，需要使用std::move。在所有權(quán)轉(zhuǎn)移后，交出所有權(quán)的智能指針將為空，get()函數(shù)將返回nullptr。

void foo(int* p)
{
    std::cout << *p << std::endl;
}
std::unique_ptr p1(new int(42));
std::unique_ptr p2 = std::move(p1); // transfer ownership

if(p1)
foo(p1.get());

(*p2)++;

if(p2)
foo(p2.get());

第二個(gè)例子展示了shared_ptr。用法相似，但語(yǔ)義不同，此時(shí)所有權(quán)是共享的。

void foo(int* p)
{
    std::cout << *p << std::endl;
}

void bar(std::shared_ptr p)
{
    ++(*p);
}

std::shared_ptr p1(new int(42));
std::shared_ptr p2 = p1;

bar(p1);
foo(p2.get());

第一個(gè)聲明和以下這行是等價(jià)的：

auto p3 = std::make_shared(42);

使用make_shared的好處是可以一次性分配共享對(duì)象和智能指針自身的內(nèi)存。而顯示地使用shared_ptr構(gòu)造函數(shù)來(lái)構(gòu)造則至少需要兩次內(nèi)存分配。除了會(huì)產(chǎn)生額外的開銷，還可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。在下面這個(gè)例子中，如果seed()拋出一個(gè)錯(cuò)誤就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存泄漏。

關(guān)于make_shared，詳見：http://blog.csdn.net/caoshangpa/article/details/79178639

void foo(std::shared_ptr p, int init)
{
    *p = init;
}
foo(std::shared_ptr(new int(42)), seed());

如果使用make_shared就不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題了。第三個(gè)例子展示了weak_ptr。注意，你必須調(diào)用lock()來(lái)獲得被引用對(duì)象的shared_ptr，通過(guò)它才能訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象。

auto p = std::make_shared(42);
std::weak_ptr wp = p;
{
    auto sp = wp.lock();
    std::cout << *sp << std::endl;
}
p.reset();
if(wp.expired())
std::cout << "expired" << std::endl;

如果你試圖鎖定(lock)一個(gè)過(guò)期（指被弱引用對(duì)象已經(jīng)被釋放）的weak_ptr，那你將獲得一個(gè)空的shared_ptr。