【C++】智能指標(Smart Pointer)

標籤：智能指標   unique-ptr   shared-ptr   weak-ptr   auto-ptr   

1. 傳統指標存在的問題

傳統指標存在諸多的問題，比如指標所指向的對象的生命週期問題，掛起引用(dangling references)，以及記憶體泄露(memory leaks).
如下是一個傳統指標的使用過程

void Foo() {    int *iPtr = new int[5];    // manipulate the memory block    // ...    // ...    // ...    delete[] iPtr;}

以上代碼將正常運行且記憶體將被合理釋放，但是使用指標常會發生一些意想不到的事情，比如訪問一個非法的記憶體單元，除0操作，以及根據一些判斷條件處理的返回return 語句。

2. 什麼是智能指標(Smart Pointer)

智能指標是RAII（Resource Acquisition is initialization）用來動態分配記憶體。它提供了普通指標的所有介面外加少數異常處理。在構造階段，它將分配記憶體，而在非其範圍內將自動釋放所佔有的記憶體。
在C++98中，使用 auto_ptr來解決上述問題。

2.1 auto_ptr

#include <iostream>#include <memory>using namespace std;class Test {public:    Test(int a = 0) : m_a(a) {}    ~Test() {        cout << "Calling destructor" << endl;    }public:    int m_a;};int main(){    auto_ptr<Test> p(new Test(5));    cout << p->m_a << endl;    return 0;}

輸出結果：

上述代碼將智能的釋放相關的記憶體。

#include <iostream>#include <memory>using namespace std;class Test {public:    Test(int a = 0) : m_a(a) {}    ~Test() {        cout << "Calling destructor" << endl;    }public:    int m_a;};void Fun(){    int a = 0, b = 5, c;    if(a == 0) {        throw "Invalid divisor";    }    c = b / a;    return;}int main(){    try {        auto_ptr<Test> p(new Test(5));        Fun();        cout << p->m_a << endl;    }    catch(...) {        cout << "Something has gone wrong" << endl;    }    return 0;}

在上述代碼中，即使異常拋出，指標照樣被正常釋放。這是因為當異常拋出時，棧鬆綁(stack unwinding)。 當所有屬於try block的本機物件被銷毀時，指標p不在範圍中而被釋放。

問題1.

至少從目前來說auto_ptr是智能的。但是它有一個非常本質的缺點：auto_ptr會傳遞它本身的ownership當其被賦值給另一個auto_ptr對象。正如下述程式所示，一個auto_ptr對象傳遞給函數Fun()中的auto_ptr對象時，其ownership,或者說是smartness將不再返回給原auto_ptr所指向的p。

#include <iostream>#include <memory>using namespace std;class Test {public:    Test(int a = 0) : m_a(a) {}    ~Test() {        cout << "Calling destructor" << endl;    }public:    int m_a;};void Fun(auto_ptr<Test> p1){    cout << p1->m_a << endl;    cout << "Fun() end" << endl;}int main(){    auto_ptr<Test> p(new Test(5));    Fun(p);    cout << p->m_a << endl;    return 0;}

運行結果：

以上程式將crash因為存在野指標auto_ptr。上述代碼奔潰的主要原因是，原先的p佔有對其自身分配記憶體的管理權。然而通過Fun()函數將其管理權轉給p1，此時因為p1的smartness，在其結束時將釋放其所指向的記憶體塊。而此時原先的p將再擁有任何記憶體，而導致在訪問時出現了null 指標，野指標的引用問題。

問題2.

auto_ptr不能使用於數組對象。 這裡的意思是不能使用於操作符new[]。

int main(){    auto_ptr<Test> p(new Test[5]);    return 0;}

上述代碼將runtime error。因為對於auto_ptr而言，其調用的是delete而非delete []。

問題3.

auto_ptr不能使用於一些標準的容器庫。比如vector，list，map等等。

C++11提出了新型的智能指標，並且都賦予了其相應的意圖。

2.2 shared_ptr

未完待續…

著作權聲明：本文為博主原創文章，未經博主允許不得轉載。

【C++】智能指標(Smart Pointer)