《C++ Primer Plus》16.2 智能指针模板类

智能指针是行为类似于指针的类对象，单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类。先来看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：
void remodel(std::string & str)
{
    std::string * ps = new std::string(str);
    ...
    str = ps;
    return;
}
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，单从不回收，从而导致内存泄漏。您肯呢哥也知道解决之道——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：
delete ps;
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，但可能在不经意间深处或株式掉了这些代码。即使确实没有忘记，也可能有问题。请看下面的变体：
void remodel(std::string & str)
{
    std::string * ps = new std::string(str);
    ...
    if (weird_thing())
        throw exception();
    str = *ps;
    delete ps;
    return;
}
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，单如果有更灵巧的解决方法就好了。来看以下需要些什么。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，那该多好阿。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，它指示一个常规指针，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。这正式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法。然而，虽然auto_ptr被摒弃，单它已经使用了多年；同时，如果您的编译器不支持其他两中解决方法，
auto_ptr将是唯一的选择方案。

16.2.1 使用只能指针
这三个只能指针模板（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）的地址赋给这种对像。当只能指针过期时，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像，将无需记住稍候释放这些内存：在只能指针过期时，这些内存将自动被释放。
要创建只能指针对象，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包含如下结构构造函数：
template<class X> class auto_ptr {
public:
    explicit auto_ptr(X* p = 0) throw();
...};
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：
auto_ptr<double> pd(new double);    // pd an auto_ptr to double
                                    // (use in place of double * pd)
auto_ptr<string> ps(new string);    // ps an auto_ptr to string
                                    // (use in place of string * ps)
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。其他两种只能指针使用同样的语法：
unique_ptr<double> pdu(new double); // pdu an unique_ptr to double
shared_ptr<string> pss(new string); // pss a shared_ptr to string
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的只能指针对象；
3.删除delete语句。
下面是使用auto_ptr修改该函数的结果：
#include <memory>
void remodel(std::string & str)
{
    std::auto_ptr<std::string> ps (new std::string(str));
    ...
    if (weird_thing())
        throw exception();
    str = *ps;
    // delete ps; NO LONGER NEEDED
    return;
}
注意到只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只能指针。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。每个只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
--------------------------------------------------
// smrtptrs.cpp -- using three kinds of smart pointers
// requires support of C++11 shared_ptr and unique_ptr
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

class Report
{
private:
    std::string str;
public:
    Report(const std::string s) : str(s)
        { std::cout << "Object created!\n"; }
    ~Report() { std::cout << "Object deleted!\n"; }
    void comment() const { std::cout << str << "\n"; }
};

int main()
{
    {
        std::auto_ptr<Report> ps (new Report("using auto_ptr"));
        ps->comment();   // use -> to invoke a member function
    }
    {
        std::shared_ptr<Report> ps (new Report("using shared_ptr"));
        ps->comment();
    }
    {
        std::unique_ptr<Report> ps (new Report("using unique_ptr"));
        ps->comment();
    }
    return 0;
}
--------------------------------------------------
（注：我的G++版本没有shared_ptr和unique_ptr）

16.2.3 unique_ptr为何优于auto_ptr
请看下面的语句：
auto_ptr<string> p1(new string("auto"));    //#1
auto_ptr<string> p2;                        //#2
p2 = p1;                                    //#3
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，着时间好事，可防止p1和p2的析构函数试图杉树同一个对象；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：
unique_ptr<string> p3(new string("quto"));  //#4
unique_ptr<string> p4;                      //#5
p4 = p3;                                    //#6
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，将一个只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：
unique_ptr<string> demo(const char * s)
{
    unique_ptr<string> temp(new string(s));
    return trmp;
}
并假设编写了如下代码：
unique_ptr<string> ps;
ps = demo("Uniquely special");
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：
using namespace std;
unique_ptr<string> pu1(new string "Ho ho!");
unique_ptr<string> pu2;
pu2 = pu1;                                  //#1 not allowed
unique_ptr<string> pu3;
pu3 = unique_ptr<string>(new string "Yo!"); //#2 allowed
语句#1将留下选怪的unique_ptr(pu1)，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，代构造函数创建的临时对象能够在其所有权转让给pu后就会被销毁。这种随情况而异的行为表示，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，单允许使用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经的崩溃。
当然，您肯呢哥确实像执行类似于语句#1的操作。仅当以废止能的方式使用一起的只能指针（如解除引用时），这种复制才不安全。要安全地重用这种值帧，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：
using namespace std;
unique_ptr<string> ps1, ps2;
ps1 = demo("Uniquely special");
ps2 = move(ps1);        // enable assignment
ps1 = demo(" and more");
cout << *ps2 << *ps2 << endl;
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，浙江在第18章讨论。
相比于auto_ptr，unique_ptr还有另一个有点。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。单unique_ptr有使用new []和delete []的版本：
std::unique_ptr<double []> pda(new double(5));    // will use delete []
注：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
应使用哪种只能指针呢？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；来那个哥随想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，所有权将转让为接受返回值的unique_ptr，而该只能指针将负责调用delete。可将unique_ptr存储到STL容器中，只要不调用将一个unique_ptr赋值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：
unique_ptr<int> make_int(int n)
{
    return unique_ptr<int>(new int(n));
}
void show(unique_ptr<int> & pi)     // pass by reference
{
    cout << *a << ' ';
}
int main()
{
    vector<unique_ptr<int> > vp(size);
    for (int i = 0; i < vp.size(); i++)
        vp[i] = make_int(rand() % 1000);    // copy temporary unique_ptr
    vp.push_back(male_int(rand() % 1000));  // ok because arg is temporary
    for_each(vp.begin(), vp.end(), show);   // use for_each()
...
}
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()语法将非法，因为这将导致使用一个来自vp的非临时unique_ptr初始化pi，而这时不允许的。前面说国，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>：
unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000));   // ok
shared_ptr<int> spp(pup);                       // not allowed, pup an lvalue
shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000));   // ok
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。