auto_ptr, unique_ptr, shared_ptr and weak_ptr智能指针讲解

笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。

CSDN视频网址：http://edu.csdn.net/lecturer/144

C ++库提供以下类型的智能指针的实现：

• auto_ptr
• unique_ptr
• shared_ptr
• weak_ptr

它们都是在内存头文件中声明。

auto_ptr

从C ++ 11开始，此类模板已被弃用。 unique_ptr是具有相似功能但具有改进的安全性的新工具。
auto_ptr是一个智能指针，用于管理通过新表达式获取的对象，并在auto_ptr本身被销毁时删除该对象。
当使用auto_ptr类描述一个对象时，它存储一个指向单个分配对象的指针，该对象可以确保当它超出范围时，它指向的对象必须被自动销毁。 它基于独占所有权模式，即同一类型的两个指针不能同时指向相同的资源。 如下面的程序所示，复制或分配指针会更改所有权，即源指针必须赋予目标指针所有权。

#include<iostream>
#include<memory>
using namespace std;

class A
{
public:
    void show() {  cout << "A::show()" << endl; }
};

int main()
{
    // p1 is an auto_ptr of type A
    auto_ptr<A> p1(new A);
    p1 -> show();

    // returns the memory address of p1
    cout << p1.get() << endl;

    // copy constructor called, this makes p1 empty.
    auto_ptr <A> p2(p1);
    p2 -> show();

    // p1 is empty now
    cout << p1.get() << endl;

    // p1 gets copied in p2
    cout<< p2.get() << endl;

    return 0;
}

Output:

A::show()
0x1b42c20
A::show()
0
0x1b42c20

auto_ptr的拷贝构造函数和赋值运算符实际上并没有复制存储的指针，而是将它们传输出去，使第一个auto_ptr对象变为空。 这是实现严格所有权的一种方法，因此只有一个auto_ptr对象可以在任何给定时间拥有该指针，即在需要复制语义的情况下不应使用auto_ptr。

unique_ptr

std :: unique_ptr是在C ++ 11中开发的，用于替代std :: auto_ptr。unique_ptr是具有类似功能的新工具，但具有改进的安全性（无假拷贝分配），添加功能（删除器）和数组支持。 它是一个原始指针的容器。 它明确地防止复制其包含的指针，正如正常赋值那样会发生，即它只允许底层指针的一个所有者。
所以，当使用unique_ptr时，在任何一个资源上最多只能有一个unique_ptr，当该unique_ptr被破坏时，该资源将被自动声明。 另外，由于任何资源只能有一个unique_ptr，所以任何创建unique_ptr副本的尝试将导致编译时错误。

 unique_ptr<A> ptr1 (new A);

 // Error: can't copy unique_ptr
 unique_ptr<A> ptr2 = ptr1;

但是，unique_ptr可以使用新的语义，即使用std :: move（）函数将包含的指针的所有权转移到另一个unique_ptr。

// Works, resource now stored in ptr2
unique_ptr<A> ptr2 = move(ptr1); 

所以，最好使用unique_ptr，当我们想要一个指向一个对象的指针，当该单个指针被销毁时将被回收。

// C++ program to illustrate the use of unique_ptr
#include<iostream>
#include<memory>
using namespace std;

class A
{
public:
    void show()
    {
        cout<<"A::show()"<<endl;
    }
};

int main()
{
    unique_ptr<A> p1 (new A);
    p1 -> show();

    // returns the memory address of p1
    cout << p1.get() << endl;

    // transfers ownership to p2
    unique_ptr<A> p2 = move(p1);
    p2 -> show();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.get() << endl;

    // transfers ownership to p3
    unique_ptr<A> p3 = move (p2);
    p3->show();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.get() << endl;
    cout << p3.get() << endl;

    return 0;
}

Output:

A::show()
0x1c4ac20
A::show()
0          // NULL
0x1c4ac20
A::show()
0          // NULL
0          // NULL
0x1c4ac20

下面的代码返回一个资源，如果我们没有显式捕获返回值，资源将被清除。 如果我们这样做，那么我们拥有该资源的独占所有权， 这样我们可以将unique_ptr看作更安全，更好的替换auto_ptr。

unique_ptr<A> fun()
{
    unique_ptr<A> ptr(new A);

    /* ...
       ... */

    return ptr;
}

何时使用unique_ptr？
当您想拥有资源的唯一所有权（Exclusive）时，请使用unique_ptr， 只有一个unique_ptr可以指向一个资源， 因为单个资源可以有一个unique_ptr，所以不可能将一个unique_ptr复制到另一个。

shared_ptr

shared_ptr是原始指针的容器。 它是一个引用计数模型，即它与shared_ptr的所有副本合作维护其包含的指针的引用计数。 因此，每当一个新的指针指向资源时，计数器就会递增，当调用对象的析构函数时递减计数器。

引用计数：这是一种将资源数量，指针或句柄存入资源（如对象，内存块，磁盘空间或其他资源）的技术。

引用计数大于0，直到所有的shared_ptr副本都被删除，所包含的原始指针引用的对象将不会被销毁。因此，当我们要为一个原始指针分配给多个所有者时，我们应该使用shared_ptr。

#include<iostream>
#include<memory>
using namespace std;

class A
{
public:
    void show()
    {
        cout<<"A::show()"<<endl;
    }
};

int main()
{
    shared_ptr<A> p1 (new A);
    cout << p1.get() << endl;
    p1->show();
    shared_ptr<A> p2 (p1);
    p2->show();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.get() << endl;

    // Returns the number of shared_ptr objects
    //referring to the same managed object.
    cout << p1.use_count() << endl;
    cout << p2.use_count() << endl;

    // Relinquishes ownership of p1 on the object
    //and pointer becomes NULL
    p1.reset();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.use_count() << endl;
    cout << p2.get() << endl;

    return 0;
}

Output:

0x1c41c20
A::show()
A::show()
0x1c41c20
0x1c41c20
2
2
0          // NULL
1
0x1c41c20

何时使用shared_ptr？

如果要共享资源的所有权，请使用shared_ptr。 很多shared_ptr可以指向单个资源。 shared_ptr维护这个引用计数,当所有shared_ptr指向资源超出范围时，资源被破坏。

weak_ptr

将weak_ptr创建为shared_ptr的副本。 它提供对一个或多个shared_ptr实例拥有的对象的访问权限，但不参与引用计数。 weak_ptr的存在或破坏对shared_ptr或其他副本没有影响。 在某些情况下需要中断shared_ptr实例之间的循环引用。

循环依赖（shared_ptr的问题）：让我们考虑一个场景，我们有两个类A和B，它们都有指向其他类的指针。 所以，它总是像A指向B和B指向A.因此，use_count永远不会达到零，并且永远不会被删除。

这是我们使用弱指针（weak_ptr）的原因，因为它们不是引用计数。 所以，weak_ptr被声明的类没有很强的保持，即所有权不被共享，但是他们可以访问这些对象。

所以，在shared_ptr的情况下，由于循环依赖关系use_count从不达到零，这是阻止使用weak_ptr的，通过将A_ptr声明为weak_ptr来消除这个问题，因此A类不拥有它，只能访问它，我们还需要检查 对象的有效性可能超出范围。 一般来说，这是一个设计问题。

什么时候使用weak_ptr？

当你想要从多个地方引用你的对象 - 对于那些可以忽略和释放它们的引用（所以当你尝试取消引用时，它们只会注意到对象已经不见了）。

本篇博客主要是给读者对智能指针的使用做一个总结。。。。。。。。