Question

智能指针是行为类似于指针的类对象，但这种对象还有其他功能。本节介绍三个可帮助管理动态内存分配的智能指针模板。先来看需要哪些功能以及这些功能是如何实现的。请看下面的函数：

您可能发现了其中的缺陷。每当调用时，该函数都分配堆中的内存，但从不收回，从而导致内存泄漏。您可能也知道解决之道——只要别忘了在 return 语句前添加下面的语句，以释放分配的内存即可：

然而，但凡涉及“别忘了”的解决方法，很少是最佳的。因为您有时可能忘了，有时可能记住了，但可能在不经意间删除或注释掉了这些代码。即使确实没有忘记，也可能有问题。请看下面的变体：

当出现异常时，delete 将不被执行，因此也将导致内存泄漏。

可以按第 14 章介绍的方式修复这种问题，但如果有更灵巧的解决方法就好了。来看一下需要些什么。当 remodel( ) 这样的函数终止（不管是正常终止，还是由于出现了异常而终止），本地变量都将从栈内存中删除——因此指针 ps 占据的内存将被释放。如果 ps 指向的内存也被释放，那该有多好啊。如果 ps 有一个析构函数，该析构函数将在 ps 过期时释放它指向的内存。因此，ps 的问题在于，它只是一个常规指针，不是有析构函数的类对象。如果它是对象，则可以在对象过期时，让它的析构函数删除指向的内存。这正是 auto_ptr、unique_ptr 和 shared_ptr 背后的思想。模板 auto_ptr 是 C++98 提供的解决方案，C++11 已将其摒弃，并提供了另外两种解决方案。然而，虽然 auto_ptr 被摒弃，但它已使用了多年；同时，如果您的编译器不支持其他两种解决方案，auto_ptr 将是唯一的选择。

16.2.1 使用智能指针

这三个智能指针模板（auto_ptr、unique_ptr 和 shared_ptr）都定义了类似指针的对象，可以将 new 获得（直接或间接）的地址赋给这种对象。当智能指针过期时，其析构函数将使用 delete 来释放内存。因此，如果将 new 返回的地址赋给这些对象，将无需记住稍后释放这些内存：在智能指针过期时，这些内存将自动被释放。图 16.2 说明了 auto_ptr 和常规指针在行为方面的差别；share_ptr 和 unique_ptr 的行为与 auto_ptr 相同。

图 16.2 常规指针与 auto_ptr

要创建智能指针对象，必须包含头文件 memory，该文件模板定义。然后使用通常的模板语法来实例化所需类型的指针。例如，模板 auto_ptr 包含如下构造函数：

本书前面说过，throw( ) 意味着构造函数不会引发异常；与 auto_ptr 一样，throw() 也被摒弃。因此，请求 X 类型的 auto_ptr 将获得一个指向 X 类型的 auto_ptr：

new double 是 new 返回的指针，指向新分配的内存块。它是构造函数 auto_ptr<double>的参数，即对应于原型中形参 p 的实参。同样，new string 也是构造函数的实参。其他两种智能指针使用同样的语法：

因此，要转换 remodel( ) 函数，应按下面 3 个步骤进行：

1．包含头文件 memory；

2．将指向 string 的指针替换为指向 string 的智能指针对象；

3．删除 delete 语句。

下面是使用 auto_ptr 修改该函数的结果：

注意到智能指针模板位于名称空间 std 中。程序清单 16.5 是一个简单的程序，演示了如何使用全部三种智能指针。要编译该程序，您的编译器必须支持 C++11 新增的类 share_ptr 和 unique_ptr。每个智能指针都放在一个代码块内，这样离开代码块时，指针将过期。Report 类使用方法报告对象的创建和销毁。

程序清单 16.5 smrtptrs.cpp

该程序的输出如下：

所有智能指针类都一个 explicit 构造函数，该构造函数将指针作为参数。因此不需要自动将指针转换为智能指针对象：

由于智能指针模板类的定义方式，智能指针对象的很多方面都类似于常规指针。例如，如果 ps 是一个智能指针对象，则可以对它执行解除引用操作（* ps）、用它来访问结构成员（ps->puffIndex）、将它赋给指向相同类型的常规指针。还可以将智能指针对象赋给另一个同类型的智能指针对象，但将引起一个问题，这将在下一节进行讨论。

但在此之前，先说说对全部三种智能指针都应避免的一点：

pvac 过期时，程序将把 delete 运算符用于非堆内存，这是错误的。

就程序清单 16.5 演示的情况而言，三种智能指针都能满足要求，但情况并非总是这样简单。

16.2.2 有关智能指针的注意事项

为何有三种智能指针呢？实际上有 4 种，但本书不讨论 weak_ptr。为何摒弃 auto_ptr 呢？

先来看下面的赋值语句：

上述赋值语句将完成什么工作呢？如果 ps 和 vocation 是常规指针，则两个指针将指向同一个 string 对象。这是不能接受的，因为程序将试图删除同一个对象两次——一次是 ps 过期时，另一次是 vocation 过期时。要避免这种问题，方法有多种。

• 定义赋值运算符，使之执行深复制。这样两个指针将指向不同的对象，其中的一个对象是另一个对象的副本。
• 建立所有权（ownership）概念，对于特定的对象，只能有一个智能指针可拥有它，这样只有拥有对象的智能指针的构造函数会删除该对象。然后，让赋值操作转让所有权。这就是用于 auto_ptr 和 unique_ptr 的策略，但 unique_ptr 的策略更严格。
• 创建智能更高的指针，跟踪引用特定对象的智能指针数。这称为引用计数（reference counting）。例如，赋值时，计数将加 1，而指针过期时，计数将减 1。仅当最后一个指针过期时，才调用 delete。这是 shared_ptr 采用的策略。

当然，同样的策略也适用于复制构造函数。

每种方法都有其用途。程序清单 16.6 是一个不适合使用 auto_ptr 的示例。

程序清单 16.6 fowl.cpp

下面是该程序的输出：

消息 core dumped 表明，错误地使用 auto_ptr 可能导致问题（这种代码的行为是不确定的，其行为可能随系统而异）。这里的问题在于，下面的语句将所有权从 films[2]转让给 pwin：

这导致 films[2]不再引用该字符串。在 auto_ptr 放弃对象的所有权后，便可能使用它来访问该对象。当程序打印 films[2]指向的字符串时，却发现这是一个空指针，这显然讨厌的意外。

如果在程序清单 16.6 中使用 shared_ptr 代替 auto_ptr（这要求编译器支持 C++11 新增的 shared_ptr 类），则程序将正常运行，其输出如下：

差别在于程序的如下部分：

这次 pwin 和 films[2]指向同一个对象，而引用计数从 1 增加到 2。在程序末尾，后声明的 pwin 首先调用其析构函数，该析构函数将引用计数降低到 1。然后，shared_ptr 数组的成员被释放，对 filmsp[2]调用析构函数时，将引用计数降低到 0，并释放以前分配的空间。

因此使用 shared_ptr 时，程序清单 16.6 运行正常；而使用 auto_ptr 时，该程序在运行阶段崩溃。如果使用 unique_ptr，结果将如何呢？与 auto_ptr 一样，unique_ptr 也采用所有权模型。但使用 unique_ptr 时，程序不会等到运行阶段崩溃，而在编译器因下述代码行出现错误：

显然，该进一步探索 auto_ptr 和 unique_ptr 之间的差别。

16.2.3 unique_ptr 为何优于 auto_ptr

请看下面的语句：

在语句#3 中，p2 接管 string 对象的所有权后，p1 的所有权将被剥夺。前面说过，这是件好事，可防止 p1 和 p2 的析构函数试图删除同一个对象；但如果程序随后试图使用 p1，这将是件坏事，因为 p1 不再指向有效的数据。

下面来看使用 unique_ptr 的情况：

编译器认为语句#6 非法，避免了 p3 不再指向有效数据的问题。因此，unique_ptr 比 auto_ptr 更安全（编译阶段错误比潜在的程序崩溃更安全）。

但有时候，将一个智能指针赋给另一个并不会留下危险的悬挂指针。假设有如下函数定义：

并假设编写了如下代码：

demo( ) 返回一个临时 unique_ptr，然后 ps 接管了原本归返回的 unique_ptr 所有的对象，而返回的 unique_ptr 被销毁。这没有问题，因为 ps 拥有了 string 对象的所有权。但这里的另一个好处是，demo( ) 返回的临时 unique_ptr 很快被销毁，没有机会使用它来访问无效的数据。换句话说，没有理由禁止这种赋值。神奇的是，编译器确实允许这种赋值！

总之，程序试图将一个 unique_ptr 赋给另一个时，如果源 unique_ptr 是个临时右值，编译器允许这样做；如果源 unique_ptr 将存在一段时间，编译器将禁止这样做：

语句#1 将留下悬挂的 unique_ptr（pul），这可能导致危害。语句#2 不会留下悬挂的 unique_ptr，因为它调用 unique_ptr 的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权转让给 pu 后就会被销毁。这种随情况而异的行为表明，unique_ptr 优于允许两种赋值的 auto_ptr。这也是禁止（只是一种建议，编译器并不禁止）在容器对象中使用 auto_ptr，但允许使用 unique_ptr 的原因。如果容器算法试图对包含 unique_ptr 的容器执行类似于语句#1 的操作，将导致编译错误；如果算法试图执行类似于语句#2 的操作，则不会有任何问题。而对于 auto_ptr，类似于语句#1 的操作可能导致不确定的行为和神秘的崩溃。

当然，您可能确实想执行类似于语句#1 的操作。仅当以非智能的方式使用遗弃的智能指针（如解除引用时），这种赋值才不安全。要安全地重用这种指针，可给它赋新值。C++有一个标准库函数 std::move( )，让您能够将一个 unique_ptr 赋给另一个。下面是一个使用前述 demo( ) 函数的例子，该函数返回一个 unique_ptr<string>对象：

您可能会问，unique_ptr 如何能够区分安全和不安全的用法呢？答案是它使用了 C++11 新增的移动构造函数和右值引用，这将在第 18 章讨论。

相比于 auto_ptr，unique_ptr 还有另一个优点。它有一个可用于数组的变体。别忘了，必须将 delete 和 new 配对，将 delete []和 new [ ]配对。模板 auto_ptr 使用 delete 而不是 delete [ ]，因此只能与 new 一起使用，而不能与 new [ ]一起使用。但 unique_ptr 有使用 new [ ]和 delete [ ]的版本：

警告：

使用 new 分配内存时，才能使用 auto_ptr 和 shared_ptr，使用 new [ ]分配内存时，不能使用它们。不使用 new 分配内存时，不能使用 auto_ptr 或 shared_ptr；不使用 new 或 new []分配内存时，不能使用 unique_ptr。

16.2.4 选择智能指针

应使用哪种智能指针呢？如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，应选择 shared_ptr。这样的情况包括：有一个指针数组，并使用一些辅助指针来标识特定的元素，如最大的元素和最小的元素；两个对象包含都指向第三个对象的指针；STL 容器包含指针。很多 STL 算法都支持复制和赋值操作，这些操作可用于 shared_ptr，但不能用于 unique_ptr（编译器发出警告）和 auto_ptr（行为不确定）。如果您的编译器没有提供 shared_ptr，可使用 Boost 库提供的 shared_ptr。

如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可使用 unique_ptr。如果函数使用 new 分配内存，并返回指向该内存的指针，将其返回类型声明为 unique_ptr 是不错的选择。这样，所有权将转让给接受返回值的 unique_ptr，而该智能指针将负责调用 delete。可将 unique_ptr 存储到 STL 容器中，只要不调用将一个 unique_ptr 复制或赋给另一个的方法或算法（如 sort( )）。例如，可在程序中使用类似于下面的代码段，这里假设程序包含正确的 include 和 using 语句：

其中的 push_back( ) 调用没有问题，因为它返回一个临时 unique_ptr，该 unique_ptr 被赋给 vp 中的一个 unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用给 show( ) 传递对象，for_each( ) 语句将非法，因为这将导致使用一个来自 vp 的非临时 unique_ptr 初始化 pi，而这是不允许的。前面说过，编译器将发现错误使用 unique_ptr 的企图。

在 unique_ptr 为右值时，可将其赋给 shared_ptr，这与将一个 unique_ptr 赋给另一个需要满足的条件相同。与前面一样，在下面的代码中，make_int( ) 的返回类型为 unique_ptr<int>：

模板 shared_ptr 包含一个显式构造函数，可用于将右值 unique_ptr 转换为 shared_ptr。shared_ptr 将接管原来归 unique_ptr 所有的对象。

在满足 unique_ptr 要求的条件时，也可使用 auto_ptr，但 unique_ptr 是更好的选择。如果您的编译器没有提供 unique_ptr，可考虑使用 BOOST 库提供的 scoped_ptr，它与 unique_ptr 类似。