C++ 核心指南之资源管理（下）—— 智能指针最佳实践

C++ 核心指南（C++ Core Guidelines）是由 Bjarne Stroustrup、Herb Sutter 等顶尖 C+ 专家创建的一份 C++ 指南、规则及最佳实践。旨在帮助大家正确、高效地使用“现代 C++”。

这份指南侧重于接口、资源管理、内存管理、并发等 High-level 主题。遵循这些规则可以最大程度地保证静态类型安全，避免资源泄露及常见的错误，使得程序运行得更快、更好。

R.smart：智能指针

• R.20：使用 unique_ptr 或 shared_ptr 来表示所有权
• R.21：除非需要共享所有权，否则优先使用 unique_ptr 而不是 shared_ptr
• R.22：使用 make_shared() 创建 shared_ptr
• R.23：使用 make_unique() 创建 unique_ptr
• R.24：使用 std::weak_ptr 打破 shared_ptr 的循环引用
• R.30: 仅在需要明确表示生命周期语义时才将智能指针作为参数传递
• R.31: 如果你使用的是非 std 智能指针，遵循 std 的基本模式
• R.32: 将形参声明为 unique_ptr<widget> 来表明函数对 widget 的所有权
• R.33: 将形参声明为 unique_ptr<widget>& 来表明函数对 widget 的重新赋值语义
• R.34: 将形参声明为 shared_ptr<widget> 来明确表明函数共享所有权
• R.35: 将形参声明为 shared_ptr<widget>& 来表明函数可能重新赋值共享指针
• R.36: 将形参声明为 const shared_ptr<widget>& 来表明它可能增加对象的引用计数
• R.37: 不要传递从“智能指针别名”取得的指针或引用

R.20：使用 unique_ptr 或 shared_ptr 来表示所有权

可以避免资源泄露

void f()
{
    // bad, p1 可能泄露
    X* p1 { new X };
    // good, 独占所有权
    auto p2 = make_unique<X>();
    // good, 共享所有权
    auto p3 = make_shared<X>();
}

代码检查

• 如果 new 的结果赋给了裸指针，给出警告
• 如果函数返回的“拥有指针”赋给了裸指针，给出警告

R.21：除非需要共享所有权，否则优先使用 unique_ptr 而不是 shared_ptr

unique_ptr 在概念上更简单、可预测（知道何时发生析构），而且更快（无需隐式维护使用计数）。

反面例子

增加和维护了一个不必要的引用计数

void f()
{
    shared_ptr<Base> base = make_shared<Derived>();
    // 在本地使用 base，不需要拷贝，引用计数永远不会超过 1
} // 销毁 base

例子

void f()
{
    unique_ptr<Base> base = make_unique<Derived>();
    // 在本地使用 base
} // 销毁 base

代码检查

如果一个函数使用了一个在函数内部分配的 shared_ptr，但从不返回该 shared_ptr 或将其传递给形参为 shared_ptr& 的函数，则给出警告。建议使用 unique_ptr 替代。

R.22：使用 make_shared() 创建 shared_ptr

make_shared 提供了更简洁的构造语句。而且 make_shared 有机会将引用计数存储在其关联对象的相邻位置。

示例

shared_ptr<X> p1 { new X{2} }; // BAD
auto p = make_shared<X>(2); // GOOD

使用 make_shared() 版本只提到了 X 一次，所以它通常比使用显式 new 的版本更短，同时也更快。

代码检查

如果一个 shared_ptr 是由 new 的结果构造而不是 make_shared，则给出警告。

R.23：使用 make_unique() 创建 unique_ptr

make_unique 提供了更简洁的构造语句。它还确保在复杂表达式中的异常安全。

make_unique 是 C++14 引入的，而 make_shared 在 C++11 就已经有了

示例

// 可行，但重复出现 Foo
unique_ptr<Foo> p {new Foo{7}};
// 更好的写法：避免重复的 Foo
auto q = make_unique<Foo>(7);

代码检查

如果一个 unique_ptr 是由 new 的结果构造而不是 make_unique，则给出警告。

R.24：使用 std::weak_ptr 打破 shared_ptr 的循环引用

shared_ptr 依赖于引用计数，而循环结构的引用计数永远不为 0，因此我们需要一种机制来打破循环结构。

例子

#include <memory>

class bar;

class foo {
public:
  explicit foo(const std::shared_ptr<bar>& forward_reference)
    : forward_reference_(forward_reference)
  { }
private:
  std::shared_ptr<bar> forward_reference_;
};

class bar {
public:
  explicit bar(const std::weak_ptr<foo>& back_reference)
    : back_reference_(back_reference)
  { }
  void do_something()
  {
    if (auto shared_back_reference = back_reference_.lock()) {
      // 使用*shared_back_reference
    }
  }
private:
  std::weak_ptr<foo> back_reference_;
}

Herb Sutter：有很多人说“打破循环引用”，但我认为“临时共享所有权”更准确。

Bjarne Stroustrup：“打破循环”是必须要做的，“临时共享所有权”是你如何“打破循环”。你可以通过使用另一个 shared_ptr 来“临时共享所有权”。（这里不太好翻译，贴出原文：breaking cycles is what you must do; temporarily sharing ownership is how you do it. You could “temporarily share ownership” simply by using another shared_ptr）

代码检查

如果可以静态地检测到循环（可能无法实现），就不需要 weak_ptr。

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R.30: 仅在需要明确表示生命周期语义时才将智能指针作为参数传递

参见 F.7: 对于一般用途，使用 T* 或 T& 参数而不是智能指针

R.31: 如果你使用的是非 std 智能指针，遵循 std 的基本模式

任何重载了一元 * 和 -> 运算符的类型（包括模板及特化模板）都被认为是智能指针：

• 如果它是可复制的，则应被视为 shared_ptr
• 如果它不可复制，则应被视为 unique_ptr

反面例子

// Boost 的 intrusive_ptr
#include <boost/intrusive_ptr.hpp>
void f(boost::intrusive_ptr<widget> p)
{
    p->foo();
}

// Microsoft 的 CComPtr
#include <atlbase.h>
void f(CComPtr<widget> p)
{
    p->foo();
}

p 是一个共享指针，但在这里没有用到它的共享性，并且通过值传递会导致性能下降；函数只有在需要参与 widget 的生命周期管理的时候使用智能指针。否则，应该使用 widget& 或者 widget*（如果实参可能是 nullptr）作为形参。

这些第三方/自定义的智能指针与 std::shared_ptr 概念一致，因此接下来的规则也适用于其他类型的第三方和自定义智能指针。这对于排查常见的智能指针错误、性能问题时非常有用。

R.32: 将形参声明为 unique_ptr<widget> 来表明函数对 widget 的所有权

R.33: 将形参声明为 unique_ptr<widget>& 来表明函数对 widget 的重新赋值语义

以这种方式使用 unique_ptr 既可以起到 self-documented 的作用，又可以强制执行函数调用的所有权转移或重新赋值(reseat)语义。

注意：“重新赋值”（reseat）的意思是：使指针或智能指针指向不同的对象。

例子

// 接受 widget 的所有权
void sink(unique_ptr<widget>);
// 仅使用 widget
void uses(widget*);
// 可能重新赋值指针
void reseat(unique_ptr<widget>&);

反面例子

// 通常不是你想要的
void thinko(const unique_ptr<widget>&);

代码检查

• 如果一个函数通过左值引用接受 unique_ptr<T> 参数，并且在某条代码路径上没有对其进行赋值或调用 reset()，则给出警告。建议改为接受 T* 或 T&。
• 如果一个函数通过 const 引用接受 unique_ptr<T> 参数，则给出警告。建议改为接受 const T* 或 const T&。

R.34: 将形参声明为 shared_ptr<widget> 来明确表明函数共享所有权

R.35: 将形参声明为 shared_ptr<widget>& 来表明函数可能重新赋值共享指针

R.36: 将形参声明为 const shared_ptr<widget>& 来表明它可能增加对象的引用计数

注：“重新赋值”（reseat）的意思是：使引用或智能指针指向不同的对象。

例子

class WidgetUser
{
public:
    // WidgetUser 将共享 widget 的所有权
    explicit WidgetUser(std::shared_ptr<widget> w) noexcept:
        m_widget{std::move(w)} {}
    // ...
private:
    std::shared_ptr<widget> m_widget;
};

void ChangeWidget(std::shared_ptr<widget>& w)
{
    // 改变调用者的 widget
    w = std::make_shared<widget>(widget{});
}

// 共享所有权，增加引用计数
void share(shared_ptr<widget>);
// 可能重新赋值指针
void reseat(shared_ptr<widget>&);
// 可能增加引用计数
void may_share(const shared_ptr<widget>&);

代码检查

• 如果函数通过左值引用接受 shared_ptr<T> 参数，并且在某条代码路径上没有对其进行赋值或调用 reset()，则给出警告。建议改为接受 T* 或 T&。
• 如果函数通过值传递或 const 引用接受 shared_ptr<T> 参数，并且在某条代码路径上没有将其复制或移动到另一个 shared_ptr，则给出警告。建议改为接受 T* 或 T&。
• 如果函数通过右值引用接受 shared_ptr<T> 参数，建议改为值传递。

R.37: 不要传递从“智能指针别名”取得的指针或引用

违反本规则是导致丢失引用计数、产生悬空指针的首要原因。函数应优先考虑传递裸指针或引用到调用链的下游。在调用树的顶部，从智能指针取得裸指针或引用时，需要确保智能指针在调用树内部不会无意中被重置或重新赋值。

注：有时需要对智能指针进行本地拷贝，以保证在函数调用树的整个期间保持对象不被释放。

例子

// 全局（静态或堆），或者本地智能指针的别名
shared_ptr<widget> g_p = ...;

void f(widget& w)
{
    g();
    use(w);  // A
}

void g()
{
    // 如果这是最后一个指向 widget 的 shared_ptr，销毁 widget
    g_p = ...;
}

下面的代码无法通过 code review

void my_code()
{
    // BAD: 传递一个“从非本地智能指针获得的指针或引用”，可能在 f（或 f 调用的函数）中不小心被重置
    f(*g_p);

    // BAD: 原因同上，只是作为 "this" 指针传递
    g_p->func();
}

解决办法：拷贝一份副本，确保函数调用树整个期间引用计数不为 0

void my_code()
{
    // 引用计数增加了 1，可以覆盖整个函数执行及调用树
    auto pin = g_p;

    // GOOD: 传递一个从“本地非别名的指针指针”获得的指针或引用
    f(*pin);

    // GOOD: 同上
    pin->func();
}

代码检查

• 如果在函数调用过程中使用的指针或引用是从一个非本地的 shared_ptr 或 unique_ptr 取得，或者从一个本地、但可能是别名的智能指针取得，给出警告。
• 如果是 shared_ptr，建议保存一个本地副本，然后从该副本获取指针或引用。