c++11-智能指針和引用計數

一、本節內容

本節內容包括：

• 對標準庫的擴充: 智能指針和引用計數
  • RAII 與引用計數
  • std::shared_ptr
  • std::unique_ptr
  • std::weak_ptr

二、RAII 與引用計數

瞭解 Objective-C/Swift 的程序員應該知道引用計數的概念。引用計數這種計數是爲了防止內存泄露而產生的。基本想法是對於動態分配的對象，進行引用計數，每當增加一次對同一個對象的引用，那麼引用對象的引用計數就會增加一次，每刪除一次引用，引用計數就會減一，當一個對象的引用計數減爲零時，就自動刪除指向的堆內存。

在傳統 C++ 中，『記得』手動釋放資源，總不是最佳實踐。因爲我們很有可能就忘記了去釋放資源而導致泄露。所以通常的做法是對於一個對象而言，我們在構造函數的時候申請空間，而在析構函數（在離開作用域時調用）的時候釋放空間，也就是我們常說的 RAII 資源獲取即初始化技術。

凡事都有例外，我們總會有需要將對象在自由存儲上分配的需求，在傳統 C++ 裏我們只好使用 new 和 delete 去『記得』對資源進行釋放。而 C++11 引入了智能指針的概念，使用了引用計數的想法，讓程序員不再需要關心手動釋放內存。這些智能指針就包括 std::shared_ptr/std::unique_ptr/std::weak_ptr，使用它們需要包含頭文件 <memory>。

注意：引用計數不是垃圾回收，引用技術能夠儘快收回不再被使用的對象，同時在回收的過程中也不會造成長時間的等待，更能夠清晰明確的表明資源的生命週期。

三、std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一種智能指針，它能夠記錄多少個 shared_ptr 共同指向一個對象，從而消除顯示的調用 delete，當引用計數變爲零的時候就會將對象自動刪除。

但還不夠，因爲使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 來調用，這使得代碼出現了某種程度上的不對稱。

std::make_shared 就能夠用來消除顯示的使用 new，所以std::make_shared 會分配創建傳入參數中的對象，並返回這個對象類型的std::shared_ptr指針。例如：

#include <iostream>
#include <memory>

void foo(std::shared_ptr<int> i)
{
    (*i)++;
}
int main()
{
    // auto pointer = new int(10); // 非法, 不允許直接賦值
    // 構造了一個 std::shared_ptr
    auto pointer = std::make_shared<int>(10);
    foo(pointer);
    std::cout << *pointer << std::endl; // 11

    // 離開作用域前，shared_ptr 會被析構，從而釋放內存
    return 0;
}

std::shared_ptr 可以通過 get() 方法來獲取原始指針，通過 reset() 來減少一個引用計數，並通過get_count()來查看一個對象的引用計數。例如：

auto pointer = std::make_shared<int>(10);
auto pointer2 = pointer;    // 引用計數+1
auto pointer3 = pointer;    // 引用計數+1
int *p = pointer.get();             // 這樣不會增加引用計數

std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;      // 3
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl;    // 3
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl;    // 3

pointer2.reset();
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;      // 2
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl;    // 0, pointer2 已 reset
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl;    // 2

pointer3.reset();
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;      // 1
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl;    // 0
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl;    // 0, pointer3 已 reset

四、std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一種獨佔的智能指針，它禁止其他智能指針與其共享同一個對象，從而保證了代碼的安全：

std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10);   // make_unique 從 C++14 引入
std::unique_ptr<int> pointer2 = pointer;    // 非法

make_unique 並不複雜，C++11 沒有提供 std::make_unique，可以自行實現：

template<typename T, typename ...Args>
std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) {
    return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) );
}

至於爲什麼沒有提供，C++ 標準委員會主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因爲『被他們忘記了』。

既然是獨佔，換句話說就是不可複製。但是，我們可以利用 std::move 將其轉移給其他的 unique_ptr，例如：

#include <iostream>
#include <memory>

struct Foo {
    Foo()      { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl;  }
    ~Foo()     { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }
    void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl;  }
};

void f(const Foo &) {
    std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;
}

int main() {
    std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>());

    // p1 不空, 輸出
    if (p1) p1->foo();
    {
        std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));

        // p2 不空, 輸出
        f(*p2);

        // p2 不空, 輸出
        if(p2) p2->foo();

        // p1 爲空, 無輸出
        if(p1) p1->foo();

        p1 = std::move(p2);

        // p2 爲空, 無輸出
        if(p2) p2->foo();
        std::cout << "p2 被銷燬" << std::endl;
    }
    // p1 不空, 輸出
    if (p1) p1->foo();

    // Foo 的實例會在離開作用域時被銷燬
}

五、std::weak_ptr

如果你仔細思考 std::shared_ptr 就會發現依然存在着資源無法釋放的問題。看下面這個例子：

#include <iostream>
#include <memory>

class A;
class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> pointer;
    ~A() {
        std::cout << "A 被銷燬" << std::endl;
    }
};
class B {
public:
    std::shared_ptr<A> pointer;
    ~B() {
        std::cout << "B 被銷燬" << std::endl;
    }
};
int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->pointer = b;
    b->pointer = a;

    return 0;
}

運行結果是 A, B 都不會被銷燬，這是因爲 a,b 內部的 pointer 同時又引用了 a,b，這使得 a,b 的引用計數均變爲了 2，而離開作用域時，a,b 智能指針被析構，卻智能造成這塊區域的引用計數減一，這樣就導致了 a,b 對象指向的內存區域引用計數不爲零，而外部已經沒有辦法找到這塊區域了，也就造成了內存泄露，如圖所示：

解決這個問題的辦法就是使用弱引用指針 std::weak_ptr，std::weak_ptr是一種弱引用（相比較而言 std::shared_ptr 就是一種強引用）。弱引用不會引起引用計數增加，當換用弱引用時候，最終的釋放流程如下圖所示：

在上圖中，最後一步只剩下 B，而 B 並沒有任何智能指針引用它，因此這塊內存資源也會被釋放。

std::weak_ptr 沒有 * 運算符和 -> 運算符，所以不能夠對資源進行操作，它的唯一作用就是用於檢查 std::shared_ptr是否存在，expired() 方法在資源未被釋放時，會返回 true，否則返回 false。

正確的代碼如下：

#include <iostream>
#include <memory>

class A;
class B;

class A {
public:
    // A 或 B 中至少有一個使用 weak_ptr
    std::weak_ptr<B> pointer;
    ~A() {
        std::cout << "A 被銷燬" << std::endl;
    }
};
class B {
public:
    std::shared_ptr<A> pointer;
    ~B() {
        std::cout << "B 被銷燬" << std::endl;
    }
};
int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->pointer = b;
    b->pointer = a;

    return 0;
}

總結

智能指針這種技術並不新奇，在很多語言中都是一種常見的技術，C++1x 將這項技術引進，在一定程度上消除了 new/delete 的濫用，是一種更加成熟的編程範式。