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智能指針

C++11 引入了 3 個(gè)智能指針類型：

1. std::unique_ptr<T> ：獨(dú)占資源所有權(quán)的指針。
2. std::shared_ptr<T> ：共享資源所有權(quán)的指針。
3. std::weak_ptr<T> ：共享資源的觀察者，需要和 std::shared_ptr 一起使用，不影響資源的生命周期。

std::auto_ptr 已被廢棄。

std::unique_ptr

簡(jiǎn)單說，當(dāng)我們獨(dú)占資源的所有權(quán)的時(shí)候，可以使用 std::unique_ptr 對(duì)資源進(jìn)行管理——離開 unique_ptr 對(duì)象的作用域時(shí)，會(huì)自動(dòng)釋放資源。這是很基本的 RAII 思想。

std::unique_ptr 的使用比較簡(jiǎn)單，也是用得比較多的智能指針。這里直接看例子。

1. 使用裸指針時(shí)，要記得釋放內(nèi)存。

2. 使用 std::unique_ptr 自動(dòng)管理內(nèi)存。

{    std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(200);    //...    // 離開 uptr 的作用域的時(shí)候自動(dòng)釋放內(nèi)存}

3. std::unique_ptr 是 move-only 的。

4. std::unique_ptr 可以指向一個(gè)數(shù)組。

{    std::unique_ptr<int[]> uptr = std::make_unique<int[]>(10);    for (int i = 0; i < 10; i++) {        uptr[i] = i * i;    }       for (int i = 0; i < 10; i++) {        std::cout << uptr[i] << std::endl;    }   }

5. 自定義 deleter。

6. 使用 Lambda 的 deleter。

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

std::shared_ptr

std::shared_ptr 其實(shí)就是對(duì)資源做引用計(jì)數(shù)——當(dāng)引用計(jì)數(shù)為 0 的時(shí)候，自動(dòng)釋放資源。

和 unique_ptr 一樣，shared_ptr 也可以指向數(shù)組和自定義 deleter。

{    // C++20 才支持 std::make_shared<int[]>    // std::shared_ptr<int[]> sptr = std::make_shared<int[]>(100);    std::shared_ptr<int[]> sptr(new int[10]);    for (int i = 0; i < 10; i++) {        sptr[i] = i * i;    }       for (int i = 0; i < 10; i++) {        std::cout << sptr[i] << std::endl;    }   }{    std::shared_ptr<FILE> sptr(        fopen('test_file.txt', 'w'), [](FILE* fp) {            std::cout << 'close ' << fp << std::endl;            fclose(fp);        });}

std::shared_ptr 的實(shí)現(xiàn)原理

一個(gè) shared_ptr 對(duì)象的內(nèi)存開銷要比裸指針和無(wú)自定義 deleter 的 unique_ptr 對(duì)象略大。

無(wú)自定義 deleter 的 unique_ptr 只需要將裸指針用 RAII 的手法封裝好就行，無(wú)需保存其它信息，所以它的開銷和裸指針是一樣的。如果有自定義 deleter，還需要保存 deleter 的信息。

shared_ptr 需要維護(hù)的信息有兩部分：

1. 指向共享資源的指針。
2. 引用計(jì)數(shù)等共享資源的控制信息——實(shí)現(xiàn)上是維護(hù)一個(gè)指向控制信息的指針。

所以，shared_ptr 對(duì)象需要保存兩個(gè)指針。shared_ptr 的 的 deleter 是保存在控制信息中，所以，是否有自定義 deleter 不影響 shared_ptr 對(duì)象的大小。

當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè) shared_ptr 時(shí)，其實(shí)現(xiàn)一般如下：

std::shared_ptr<T> sptr1(new T);

復(fù)制一個(gè) shared_ptr ：

為什么控制信息和每個(gè) shared_ptr 對(duì)象都需要保存指向共享資源的指針？可不可以去掉 shared_ptr 對(duì)象中指向共享資源的指針，以節(jié)省內(nèi)存開銷？

答案是：不能。因?yàn)?shared_ptr 對(duì)象中的指針指向的對(duì)象不一定和控制塊中的指針指向的對(duì)象一樣。

來(lái)看一個(gè)例子。

struct Fruit {    int juice;};struct Vegetable {    int fiber;};struct Tomato : public Fruit, Vegetable {    int sauce;}; // 由于繼承的存在，shared_ptr 可能指向基類對(duì)象std::shared_ptr<Tomato> tomato = std::make_shared<Tomato>();std::shared_ptr<Fruit> fruit = tomato;std::shared_ptr<Vegetable> vegetable = tomato;

另外，std::shared_ptr 支持 aliasing constructor。

Aliasing constructor，簡(jiǎn)單說就是構(gòu)造出來(lái)的 shared_ptr 對(duì)象和參數(shù) r 指向同一個(gè)控制塊（會(huì)影響 r 指向的資源的生命周期），但是指向共享資源的指針是參數(shù) ptr。看下面這個(gè)例子。

using Vec = std::vector<int>;std::shared_ptr<int> GetSPtr() {    auto elts = {0, 1, 2, 3, 4};    std::shared_ptr<Vec> pvec = std::make_shared<Vec>(elts);    return std::shared_ptr<int>(pvec, &(*pvec)[2]);}std::shared_ptr<int> sptr = GetSPtr();for (int i = -2; i < 3; ++i) {    printf('%d\n', sptr.get()[i]);}

看上面的例子，使用 std::shared_ptr 時(shí)，會(huì)涉及兩次內(nèi)存分配：一次分配共享資源對(duì)象；一次分配控制塊。C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了 std::make_shared 函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè) shared_ptr 對(duì)象，只需要一次內(nèi)存分配。

這種情況下，不用通過控制塊中的指針，我們也能知道共享資源的位置——這個(gè)指針也可以省略掉。

std::weak_ptr

std::weak_ptr 要與 std::shared_ptr 一起使用。一個(gè) std::weak_ptr 對(duì)象看做是 std::shared_ptr 對(duì)象管理的資源的觀察者，它不影響共享資源的生命周期：

1. 如果需要使用 weak_ptr 正在觀察的資源，可以將 weak_ptr 提升為 shared_ptr。
2. 當(dāng) shared_ptr 管理的資源被釋放時(shí)，weak_ptr 會(huì)自動(dòng)變成 nullptr。

當(dāng) shared_ptr 析構(gòu)并釋放共享資源的時(shí)候，只要 weak_ptr 對(duì)象還存在，控制塊就會(huì)保留，weak_ptr 可以通過控制塊觀察到對(duì)象是否存活。

enable_shared_from_this

一個(gè)類的成員函數(shù)如何獲得指向自身（this）的 shared_ptr？看看下面這個(gè)例子有沒有問題？

class Foo { public:  std::shared_ptr<Foo> GetSPtr() {    return std::shared_ptr<Foo>(this);  }};auto sptr1 = std::make_shared<Foo>();assert(sptr1.use_count() == 1);auto sptr2 = sptr1->GetSPtr();assert(sptr1.use_count() == 1);assert(sptr2.use_count() == 1);

上面的代碼其實(shí)會(huì)生成兩個(gè)獨(dú)立的 shared_ptr，他們的控制塊是獨(dú)立的，最終導(dǎo)致一個(gè) Foo 對(duì)象會(huì)被 delete 兩次。

成員函數(shù)獲取 this 的 shared_ptr 的正確的做法是繼承 std::enable_shared_from_this 。

一般情況下，繼承了 std::enable_shared_from_this 的子類，成員變量中增加了一個(gè)指向 this 的 weak_ptr。這個(gè) weak_ptr 在第一次創(chuàng)建 shared_ptr 的時(shí)候會(huì)被初始化，指向 this。

似乎繼承了 std::enable_shared_from_this 的類都被強(qiáng)制必須通過 shared_ptr 進(jìn)行管理。

auto b = new Bar;auto sptr = b->shared_from_this();

在我的環(huán)境下（gcc 7.5.0）上面的代碼執(zhí)行的時(shí)候會(huì)直接 coredump，而不是返回指向 nullptr 的 shared_ptr：

小結(jié)

智能指針，本質(zhì)上是對(duì)資源所有權(quán)和生命周期管理的抽象：

1. 當(dāng)資源是被獨(dú)占時(shí)，使用 std::unique_ptr 對(duì)資源進(jìn)行管理。
2. 當(dāng)資源會(huì)被共享時(shí)，使用 std::shared_ptr 對(duì)資源進(jìn)行管理。
3. 使用 std::weak_ptr 作為 std::shared_ptr 管理對(duì)象的觀察者。
4. 通過繼承 std::enable_shared_from_this 來(lái)獲取 this 的 std::shared_ptr 對(duì)象。

參考資料

1. Back to Basics: Smart Pointers
2. cppreference: unique_ptr
3. cppreference: shared_ptr
4. cppreference: weak_ptr
5. cppreference: enable_shared_from_this