现代C一文读懂智能指针 / 开普饭

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智能指针

C++11 引入了 3 个智能指针类型：

std::unique_ptr<T> ：独占资源所有权的指针。
std::shared_ptr<T> ：共享资源所有权的指针。
std::weak_ptr<T> ：共享资源的观察者，需要和 std::shared_ptr 一起使用，不影响资源的生命周期。

std::auto_ptr 已被废弃。

std::unique_ptr

简单说，当我们独占资源的所有权的时候，可以使用 std::unique_ptr 对资源进行管理——离开 unique_ptr 对象的作用域时，会自动释放资源。这是很基本的 RAII 思想。

std::unique_ptr 的使用比较简单，也是用得比较多的智能指针。这里直接看例子。

使用裸指针时，要记得释放内存。

{ int* p = new int(100); // ... delete p; // 要记得释放内存}

使用 std::unique_ptr 自动管理内存。

{    std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(200);    //...    // 离开 uptr 的作用域的时候自动释放内存}

std::unique_ptr 是 move-only 的。

{ std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(200); std::unique_ptr<int> uptr1 = uptr; // 编译错误，std::unique_ptr<T> 是 move-only 的 std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); assert(uptr == nullptr);}

std::unique_ptr 可以指向一个数组。

{    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;    }   }

自定义 deleter。

{ struct FileCloser { void operator()(FILE* fp) const { if (fp != nullptr) { fclose(fp); } } }; std::unique_ptr<FILE, FileCloser> uptr(fopen('test_file.txt', 'w'));}

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 其实就是对资源做引用计数——当引用计数为 0 的时候，自动释放资源。

{ std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(200); assert(sptr.use_count() == 1); // 此时引用计数为 1 { std::shared_ptr<int> sptr1 = sptr; assert(sptr.get() == sptr1.get()); assert(sptr.use_count() == 2); // sptr 和 sptr1 共享资源，引用计数为 2 } assert(sptr.use_count() == 1); // sptr1 已经释放}// use_count 为 0 时自动释放内存

和 unique_ptr 一样，shared_ptr 也可以指向数组和自定义 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 的实现原理

一个 shared_ptr 对象的内存开销要比裸指针和无自定义 deleter 的 unique_ptr 对象略大。

std::cout << sizeof(int*) << std::endl; // 输出 8std::cout << sizeof(std::unique_ptr<int>) << std::endl; // 输出 8std::cout << sizeof(std::unique_ptr<FILE, std::function<void(FILE*)>>) << std::endl; // 输出 40std::cout << sizeof(std::shared_ptr<int>) << std::endl; // 输出 16std::shared_ptr<FILE> sptr(fopen('test_file.txt', 'w'), [](FILE* fp) { std::cout << 'close ' << fp << std::endl; fclose(fp);}); std::cout << sizeof(sptr) << std::endl; // 输出 16

无自定义 deleter 的 unique_ptr 只需要将裸指针用 RAII 的手法封装好就行，无需保存其它信息，所以它的开销和裸指针是一样的。如果有自定义 deleter，还需要保存 deleter 的信息。

shared_ptr 需要维护的信息有两部分：

指向共享资源的指针。
引用计数等共享资源的控制信息——实现上是维护一个指向控制信息的指针。

所以，shared_ptr 对象需要保存两个指针。shared_ptr 的的 deleter 是保存在控制信息中，所以，是否有自定义 deleter 不影响 shared_ptr 对象的大小。

当我们创建一个 shared_ptr 时，其实现一般如下：

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

复制一个 shared_ptr ：

std::shared_ptr<T> sptr2 = sptr1;

为什么控制信息和每个 shared_ptr 对象都需要保存指向共享资源的指针？可不可以去掉 shared_ptr 对象中指向共享资源的指针，以节省内存开销？

答案是：不能。因为 shared_ptr 对象中的指针指向的对象不一定和控制块中的指针指向的对象一样。

来看一个例子。

struct Fruit {    int juice;};struct Vegetable {    int fiber;};struct Tomato : public Fruit, Vegetable {    int sauce;}; // 由于继承的存在，shared_ptr 可能指向基类对象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。

template< class Y >shared_ptr( const shared_ptr<Y>& r, element_type* ptr ) noexcept;

Aliasing constructor，简单说就是构造出来的 shared_ptr 对象和参数 r 指向同一个控制块（会影响 r 指向的资源的生命周期），但是指向共享资源的指针是参数 ptr。看下面这个例子。

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 时，会涉及两次内存分配：一次分配共享资源对象；一次分配控制块。C++ 标准库提供了 std::make_shared 函数来创建一个 shared_ptr 对象，只需要一次内存分配。

这种情况下，不用通过控制块中的指针，我们也能知道共享资源的位置——这个指针也可以省略掉。

std::weak_ptr

std::weak_ptr 要与 std::shared_ptr 一起使用。一个 std::weak_ptr 对象看做是 std::shared_ptr 对象管理的资源的观察者，它不影响共享资源的生命周期：

如果需要使用 weak_ptr 正在观察的资源，可以将 weak_ptr 提升为 shared_ptr。
当 shared_ptr 管理的资源被释放时，weak_ptr 会自动变成 nullptr。

void Observe(std::weak_ptr<int> wptr) { if (auto sptr = wptr.lock()) { std::cout << 'value: ' << *sptr << std::endl; } else { std::cout << 'wptr lock fail' << std::endl; }}std::weak_ptr<int> wptr;{ auto sptr = std::make_shared<int>(111); wptr = sptr; Observe(wptr); // sptr 指向的资源没被释放，wptr 可以成功提升为 shared_ptr}Observe(wptr); // sptr 指向的资源已被释放，wptr 无法提升为 shared_ptr

当 shared_ptr 析构并释放共享资源的时候，只要 weak_ptr 对象还存在，控制块就会保留，weak_ptr 可以通过控制块观察到对象是否存活。

enable_shared_from_this

一个类的成员函数如何获得指向自身（this）的 shared_ptr？看看下面这个例子有没有问题？

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);

上面的代码其实会生成两个独立的 shared_ptr，他们的控制块是独立的，最终导致一个 Foo 对象会被 delete 两次。

成员函数获取 this 的 shared_ptr 的正确的做法是继承 std::enable_shared_from_this 。

class Bar : public std::enable_shared_from_this<Bar> { public: std::shared_ptr<Bar> GetSPtr() { return shared_from_this(); }};auto sptr1 = std::make_shared<Bar>();assert(sptr1.use_count() == 1);auto sptr2 = sptr1->GetSPtr();assert(sptr1.use_count() == 2);assert(sptr2.use_count() == 2);

一般情况下，继承了 std::enable_shared_from_this 的子类，成员变量中增加了一个指向 this 的 weak_ptr。这个 weak_ptr 在第一次创建 shared_ptr 的时候会被初始化，指向 this。

似乎继承了 std::enable_shared_from_this 的类都被强制必须通过 shared_ptr 进行管理。

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

在我的环境下（gcc 7.5.0）上面的代码执行的时候会直接 coredump，而不是返回指向 nullptr 的 shared_ptr：

terminate called after throwing an instance of 'std::bad_weak_ptr' what(): bad_weak_ptr

小结

智能指针，本质上是对资源所有权和生命周期管理的抽象：

当资源是被独占时，使用 std::unique_ptr 对资源进行管理。
当资源会被共享时，使用 std::shared_ptr 对资源进行管理。
使用 std::weak_ptr 作为 std::shared_ptr 管理对象的观察者。
通过继承 std::enable_shared_from_this 来获取 this 的 std::shared_ptr 对象。

参考资料

Back to Basics: Smart Pointers
cppreference: unique_ptr
cppreference: shared_ptr
cppreference: weak_ptr
cppreference: enable_shared_from_this

现代C一文读懂智能指针