C++11 智能指针之shared_ptr代码详解

C++中的智能指针首先出现在“准”标准库boost中。

随着使用的人越来越多，为了让开发人员更方便、更安全的使用动态内存，C++11也引入了智能指针来管理动态对象。

在新标准中，主要提供了shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr三种不同类型的智能指针。

接下来的几篇文章，我们就来总结一下这些智能指针的使用。

今天，我们先来看看shared_ptr智能指针。

shared_ptr 智能指针

shared_ptr是一个引用计数智能指针，用于共享对象的所有权也就是说它允许多个指针指向同一个对象。这一点与原始指针一致。

先来一段简单的代码，看看shared_ptr的简单使用：

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

class Example
{
public:
 Example() : e(1) { cout << "Example Constructor..." << endl; }
 ~Example() { cout << "Example Destructor..." << endl; }

 int e;
};

int main() {

 shared_ptr<Example> pInt(new Example());
 cout << (*pInt).e << endl;
 cout << "pInt引用计数: " << pInt.use_count() << endl;

 shared_ptr<Example> pInt2 = pInt;
 cout << "pInt引用计数: " << pInt.use_count() << endl;
 cout << "pInt2引用计数: " << pInt2.use_count() << endl;
}

程序输出如下：

Example Constructor...
pInt: 1
pInt引用计数: 1
pInt引用计数: 2
pInt2引用计数: 2
Example Destructor...

从上面这段代码中，我们对shared_ptr指针有了一些直观的了解。

一方面，跟STL中大多数容器类型一样，shared_ptr也是模板类，因此在创建shared_ptr时需要指定其指向的类型。

另一方面，正如其名一样，shared_ptr指针允许让多个该类型的指针共享同一堆分配对象。

同时shared_ptr使用经典的“引用计数”方法来管理对象资源，每个shared_ptr对象关联一个共享的引用计数。

对于shared_ptr在拷贝和赋值时的行为，《C++Primer第五版》中有详细的描述：

每个shared_ptr都有一个关联的计数值，通常称为引用计数。无论何时我们拷贝一个shared_ptr，计数器都会递增。

例如，当用一个shared_ptr初始化另一个shred_ptr，或将它当做参数传递给一个函数以及作为函数的返回值时，它 所关联的计数器就会递增。

当我们给shared_ptr赋予一个新值或是shared_ptr被销毁（例如一个局部的 shared_ptr离开其作用域）时，计数器就会递减。

一旦一个shared_ptr的计数器变为0，它就会自动释放自己所管理 的对象。

对比我们上面的代码可以看到：当我们将一个指向Example对象的指针交给pInt管理后，其关联的引用计数为1。

接下来，我们用pInt初始化pInt2，两者关联的引用计数值增加为2。随后，函数结束，pInt和PInt2相继离开函数作用于，相应的引用计数值分别自减1最后变为0，于是Example对象被自动释放（调用其析构函数）。

接下来，我们完整地介绍一下shared_ptr的常见用法：

1、创建shared_ptr实例

最安全和高效的方法是调用make_shared库函数，该函数会在堆中分配一个对象并初始化，最后返回指向此对象的share_ptr实例。

如果你不想使用make_ptr，也可以先明确new出一个对象，然后把其原始指针传递给share_ptr的构造函数。

示例如下：

int main() {

 // 传递给make_shared函数的参数必须和shared_ptr所指向类型的某个构造函数相匹配
 shared_ptr<string> pStr = make_shared<string>(10, 'a');
 cout << *pStr << endl; // aaaaaaaaaa

 int *p = new int(5);
 shared_ptr<int> pInt(p);
 cout << *pInt << endl; // 5
}

2、访问所指对象

shared_ptr的使用方式与普通指针的使用方式类似，既可以使用解引用操作符*获得原始对象进而访问其各个成员，也可以使用指针访问符->来访问原始对象的各个成员。

3、拷贝和赋值操作

我们可以用一个shared_ptr对象来初始化另一个share_ptr实例，该操作会增加其引用计数值。

例如：

int main() {
 shared_ptr<string> pStr = make_shared<string>(10, 'a');
 cout << pStr.use_count() << endl; // 1

 shared_ptr<string> pStr2(pStr);
 cout << pStr.use_count() << endl; // 2
 cout << pStr2.use_count() << endl; // 2
}

如果shared_ptr实例p和另一个shared_ptr实例q所指向的类型相同或者可以相互转换，我们还可以进行诸如p = q这样赋值操作。

该操作会递减p的引用计数值，递增q的引用计数值。

例如：

class Example
{
public:
 Example(string n) : name(n) { cout << n << " constructor..." << endl; }
 ~Example() { cout << name << " destructor..." << endl; }

 string name;
};

int main() {

 shared_ptr<Example> pStr = make_shared<Example>("a object");
 shared_ptr<Example> pStr2 = make_shared<Example>("b object");
 cout << pStr.use_count() << endl;
 cout << pStr2.use_count() << endl;

 pStr = pStr2; // 此后pStr和pStr指向相同对象
 cout << pStr->name << endl;
 cout << pStr2->name << endl;
}

输出如下：

a object constructor...
b object constructor...
1
1
a object destructor...
b object
b object
b object destructor...

4、检查引用计数

shared_ptr提供了两个函数来检查其共享的引用计数值，分别是unique()和use_count()。

在前面，我们已经多次使用过use_count()函数，该函数返回当前指针的引用计数值。值得注意的是use_count()函数可能效率很低，应该只把它用于测试或调试。

unique()函数用来测试该shared_ptr是否是原始指针唯一拥有者，也就是use_count()的返回值为1时返回true，否则返回false。

示例：

int main() {
 shared_ptr<string> pStr = make_shared<string>(10, 'a');
 cout << pStr.unique() << endl; // true

 shared_ptr<string> pStr2(pStr);
 cout << pStr2.unique() << endl; // false;
}

总结