Boost智能指针使用总结

　　内存管理是一个比较繁琐的问题，C++中有两个实现方案： 垃圾回收机制和智能指针。垃圾回收机制因为性能等原因不被C++的大佬们推崇， 而智能指针被认为是解决C++内存问题的最优方案。

1. 智能指针定义

     一个智能指针就是一个C++的对象， 这对象的行为像一个指针，但是它却可以在其不需要的时候自动删除。注意这个“其不需要的时候”， 这可不是一个精确的定义。这个不需要的时候可以指好多方面：局部变量退出函数作用域、类的对象被析构……。所以boost定义了多个不同的智能指针来管理不同的场景。

shared_ptr<T>	内部维护一个引用计数器来判断此指针是不是需要被释放。是boost中最常用的智能指针了。
scoped_ptr<t>	当这个指针的作用域消失之后自动释放
intrusive_ptr<T>	也维护一个引用计数器，比shared_ptr有更好的性能。但是要求T自己提供这个计数器。
weak_ptr<T>	弱指针，要和shared_ptr 结合使用
shared_array<T>	和shared_ptr相似，但是访问的是数组
scoped_array<T>	和scoped_ptr相似，但是访问的是数组

2. Boost::scoped_ptr<T>

2.1 定义

    scoped_ptr 是boost中最简单的智能指针。scoped_ptr的目的也是很简单， 当一个指针离开其作用域时候，释放相关资源。特别注意的一定就是scoped_ptr 不能共享指针的所有权也不能转移所有权。也就是说这个内存地址就只能给的声明的变量用，不能给其他使用。

2.2 特点

(1)scoped_ptr的效率和空间的消耗内置的指针差不多

(2)scoped_ptr不能用于管理数组对象,不能指向一块能够动态增长的内存区域(用scoped_array代替)

(3)scoped_ptr不能转换所有权,因此不能作为函数的返回值

(4)scoped_ptr不能共享所有权,因此不能用于stl的容器中(用shared_ptr代替)

2.3 使用原则

(1)在可能有异常抛出的作用域里使用指针

(2)函数里有几条控制路径

(3)动态分配对象的生存期应被限制于特定的作用域内

(4)异常安全非常重要时(总应如此!)

2.4 例子

class test 
{ 
public: 
    void print() 
    { 
        cout << "test print now" <<endl; 
    } 
};
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) 
{ 
    boost::scoped_ptr<test> x(new test); 
    x->print(); 
    return 0; 
}

3.Boost::shared_ptr<T>

3.1 定义

　　boost::shared_ptr是可以共享所有权的智能指针.

3.2 特点

(1)boost::shared_ptr在内部维护一个引用计数器， 当有一个指针指向这块内存区域是引用计数+1， 反之-1， 如果没有任何指针指向这块区域， 引用计数器为0，释放内存区域。

(2)boost::shared_ptr可以共享和转移所有权

(3)boost::shared_ptr可以被标准库的容器所使用

(4)boost::shared_ptr是线程安全的，这点在多线程程序中也非常重要

(5)boost::shared_ptr不能指向一块动态增长的内存(用share_array代替)

3.3 使用原则

(1)避免对shared_ptr所管理的对象的直接内存管理操作，以免造成该对象的重释放

(2)shared_ptr并不能对循环引用的对象内存自动管理（这点是其它各种引用计数管理内存方式的通病）

(3)不要构造一个临时的shared_ptr作为函数的参数

3.4 例子

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) 
{ 
    boost::shared_ptr<test> ptr_1(new test); 
    ptr_1->print();//引用计数为1
    boost::shared_ptr<test> ptr_2 = ptr_1; 
    ptr_2->print();//引用计数为2
    ptr_1->print();// 引用计数还是为2
    return 0; 
}

4. Boost::intrusive_ptr<T>

4.1 定义

　　boost::intrusive_ptr一种“侵入式”的引用计数指针，它实际并不提供引用计数功能，而是要求被存储的对象自己实现引用计数功能，并提供intrusive_ptr_add_ref和intrusive_ptr_release函数接口供boost::intrusive_ptr调用。

4.2 使用原则

(1)你需要把 this当作智能指针来使用

(2)已有代码使用或提供了插入式的引用计数

(3)智能指针的大小必须与裸指针的大小相等

4.3 例子

　　下面通过一个具体的例子来说明boost::intrusive_ptr的用法，首先实现一个基类intrusive_ptr_base，定义intrusive_ptr_add_ref和intrusive_ptr_release函数来提供引用计数功能。

/**
* intrusive_ptr_base基类，提供intrusive_ptr_add_ref()和intrusive_ptr_release()函数来提供引用计数功能；
* 使用boost::intrusive_ptr指针存储的用户类类型必须继承自intrusive_ptr_base基类。
*/
#include <ostream>
#include <boost/checked_delete.hpp>
#include <boost/detail/atomic_count.hpp>
 
 
template<class T>
class intrusive_ptr_base {
public:
    /**
    * 缺省构造函数
    */
    intrusive_ptr_base(): ref_count(0) {
        std::cout << "  Default constructor " << std::endl;
    }
     
    /**
    * 不允许拷贝构造，只能使用intrusive_ptr来构造另一个intrusive_ptr
    */
    intrusive_ptr_base(intrusive_ptr_base<T> const&): ref_count(0) {
        std::cout << "  Copy constructor..." << std::endl;
    }
     
    /**
    * 不允许进行赋值操作
    */
    intrusive_ptr_base& operator=(intrusive_ptr_base const& rhs) {
        std::cout << "  Assignment operator..." << std::endl;
        return *this;
    }
     
    /**
    * 递增引用计数（放到基类中以便compiler能找到，否则需要放到boost名字空间中）
    */
    friend void intrusive_ptr_add_ref(intrusive_ptr_base<T> const* s) {
        std::cout << "  intrusive_ptr_add_ref..." << std::endl;
        assert(s->ref_count >= 0);
        assert(s != 0);
        ++s->ref_count;
    }
 
    /**
    * 递减引用计数
    */
    friend void intrusive_ptr_release(intrusive_ptr_base<T> const* s) {
        std::cout << "  intrusive_ptr_release..." << std::endl;
        assert(s->ref_count > 0);
        assert(s != 0);
        if (--s->ref_count == 0)
            boost::checked_delete(static_cast<T const*>(s));  //s的实际类型就是T，intrusive_ptr_base<T>为基类
    }
     
    /**
    * 类似于shared_from_this()函数
    */
    boost::intrusive_ptr<T> self() {
        return boost::intrusive_ptr<T>((T*)this);
    }
     
    boost::intrusive_ptr<const T> self() const {
        return boost::intrusive_ptr<const T>((T const*)this);
    }
     
    int refcount() const {
        return ref_count;
    }
     
private:
    ///should be modifiable even from const intrusive_ptr objects
    mutable boost::detail::atomic_count ref_count;
 
};

　　用户类类型需要继承intrusive_ptr_base基类，以便具有引用计数功能。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost/intrusive_ptr.hpp>
#include "intrusive_ptr_base.hpp"
 
/**
* 用户类类型继承自intrusive_ptr_base，该实现方式类似于boost::enable_shared_from_this<Y>
*/
class Connection : public intrusive_ptr_base< Connection > {
public:
    /**
    * 构造函数，调用intrusive_ptr_base< Connection >的缺省构造函数来初始化对象的基类部分
    */
    Connection(int id, std::string tag):
        connection_id( id ), connection_tag( tag ) {}
 
    /**
    * 拷贝构造函数，只复制自身数据，不能复制引用计数部分
    */
    Connection(const Connection& rhs):
        connection_id( rhs.connection_id ), connection_tag( rhs.connection_tag) {}
     
    /**
    * 赋值操作，同样不能复制引用计数部分
    */
    const Connection operator=( const Connection& rhs) {
        if (this != &rhs) {
            connection_id = rhs.connection_id;
            connection_tag = rhs.connection_tag;
        }
         
        return *this;
    }
 
private:
    int connection_id;
    std::string connection_tag;
};
 
int main() {
    std::cout << "Create an intrusive ptr" << std::endl;
    boost::intrusive_ptr< Connection > con0 (new Connection(4, "sss") );  //调用intrusive_ptr_add_ref()递增引用计数
    std::cout << "Create an intrusive ptr. Refcount = " << con0->refcount() << std::endl;
 
    boost::intrusive_ptr< Connection > con1 (con0);   //调用intrusive_ptr_add_ref()
    std::cout << "Create an intrusive ptr. Refcount = " << con1->refcount() << std::endl;
    boost::intrusive_ptr< Connection > con2 = con0;   //调用intrusive_ptr_add_ref()
    std::cout << "Create an intrusive ptr. Refcount = " << con2->refcount() << std::endl;
     
    std::cout << "Destroy an intrusive ptr" << std::endl;
 
    return 0;
}

程序运行输出：
Create an intrusive ptr
Default constructor 
intrusive_ptr_add_ref...
Create an intrusive ptr. Refcount = 1
intrusive_ptr_add_ref...
Create an intrusive ptr. Refcount = 2
intrusive_ptr_add_ref...
Create an intrusive ptr. Refcount = 3
Destroy an intrusive ptr
intrusive_ptr_release...
intrusive_ptr_release...
intrusive_ptr_release...

4.4 boost::intrusive_ptr与boost::shared_ptr区别

　　使用boost::shared_ptr用户类本身不需要具有引用计数功能，而是由boost::shared_ptr来提供；使用boost::shared_ptr的一大陷阱就是用一个raw pointer多次创建boost::shared_ptr，这将导致boost::shared_ptr析构时该raw pointer被多次销毁当。即不能如下使用：

int *a = new int(5);
boost::shared_ptr ptr1(a);
boost::shared_ptr ptr2(a);　　//错误！

　　boost::intrusive_ptr完全具备boost::shared_ptr的功能，且不存在shared_ptr的问题，即可以利用raw pointer创建多个intrusive _ptr，其原因就在于引用计数的ref_count对象，shared_ptr是放在shared_ptr结构里，而目标对象T通过继承intrusive_ptr_base将引用计数作为T对象的内部成员变量，就不会出现同一个对象有两个引用计数器的情况出现。
　　那么为什么通常鼓励大家使用shared_ptr，而不是intrusive_ptr呢， 在于shared_ptr不是侵入性的，可以指向任意类型的对象； 而intrusive_ptr所要指向的对象，需要继承intrusive_ptr_base，即使不需要，引用计数成员也会被创建。

4.5 结论

　　如果创建新类且需要进行传递，则继承intrusive_ptr_base，使用intrusive_ptr。

5. Boost::weak_ptr<T>

5.1 定义

    weak_ptr 就是一个弱指针。weak_ptr 被shared_ptr控制， 它可以通过share_ptr的构造函数或者lock成员函数转化为share_ptr。

5.2 特点

(1)weak_ptr的一个最大特点就是它共享一个share_ptr的内存

(2)无论是构造还是析构一个weak_ptr都不会影响引用计数器

5.3 弱引用与强引用

　　一个强引用当被引用的对象活着的话，这个引用也存在（就是说，当至少有一个强引用，那么这个对象就不能被释放）。boost::share_ptr就是强引用。相对而言，弱引用当引用的对象活着的时候不一定存在。仅仅是当它存在的时候的一个引用。弱引用并不修改该对象的引用计数，这意味这弱引用它并不对对象的内存进行管理，在功能上类似于普通指针，然而一个比较大的区别是，弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免访问非法内存。

boost::weak_ptr

boost::weak_ptr<T>是boost提供的一个弱引用的智能指针，它的声明可以简化如下：

namespace boost {

    template<typename T> class weak_ptr {
    public:
        template <typename Y>
        weak_ptr(const shared_ptr<Y>& r);

        weak_ptr(const weak_ptr& r);

        ~weak_ptr();

        T* get() const; 
        bool expired() const; 
        shared_ptr<T> lock() const;
    }; 
}

　　可以看到，boost::weak_ptr必须从一个boost::share_ptr或另一个boost::weak_ptr转换而来，这也说明，进行该对象的内存管理的是那个强引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。

　　boost::weak_ptr除了对所管理对象的基本访问功能（通过get()函数）外，还有两个常用的功能函数：expired()用于检测所管理的对象是否已经释放；lock()用于获取所管理的对象的强引用指针。

5.4 循环引用

5.4.1 循环定义

　　引用计数是一种便利的内存管理机制，但它有一个很大的缺点，那就是不能管理循环引用的对象。

5.4.2 循环引用例子

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>

class parent;
class children;

typedef boost::shared_ptr<parent> parent_ptr;
typedef boost::shared_ptr<children> children_ptr;

class parent
{
public:
    ~parent() { std::cout <<"destroying parent
"; }

public:
    children_ptr children;
};

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children
"; }

public:
    parent_ptr parent;
};


void test()
{
    parent_ptr father(new parent());
    children_ptr son(new children);

    father->children = son;
    son->parent = father;
}

void main()
{
    std::cout<<"begin test...
";
    test();
    std::cout<<"end test.
";
}

　　运行该程序可以看到，即使退出了test函数后，由于parent和children对象互相引用，它们的引用计数都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了c++中那臭名昭著的内存泄漏。

一般来讲，解除这种循环引用有下面有三种可行的方法：

(1)当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。

(2)当parent的生存期超过children的生存期的时候，children改为使用一个普通指针指向parent。

(3)使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。

虽然这三种方法都可行，但方法1和方法2都需要程序员手动控制，麻烦且容易出错。这里主要介绍一下第三种方法和boost中的弱引用的智能指针boost::weak_ptr。

5.4.3 通过boost::weak_ptr来打破循环引用

　　由于弱引用不更改引用计数，类似普通指针，只要把循环引用的一方使用弱引用，即可解除循环引用。对于上面的那个例子来说，只要把children的定义改为如下方式，即可解除循环引用：

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children
"; }

public:
    boost::weak_ptr<parent> parent;
};

　　最后值得一提的是,虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用，但这种方式必须在程序员能预见会出现循环引用的情况下才能使用，也可以是说这个仅仅是一种编译期的解决方案，如果程序在运行过程中出现了循环引用，还是会造成内存泄漏的。因此，不要认为只要使用了智能指针便能杜绝内存泄漏。毕竟，对于C++来说，由于没有垃圾回收机制，内存泄漏对每一个程序员来说都是一个非常头痛的问题。

5.5 使用原则

(1)要打破递归的依赖关系

(2)使用一个共享的资源而不需要共享所有权

(3)避免悬空的指针

(4)shared_ptr构造weak_ptr时,weak_ptr所指内存为空会抛出异常,而weak_ptr的lock()成员不会抛出异常但会返回个空指针,根据自己需求选择

5.6 例子

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) 
{ 
    boost::shared_ptr<test> sharePtr(new test);;
    boost::weak_ptr<test> weakPtr(sharePtr); 
    //weakPtr 就是用來保存指向這塊內存區域的指針的 
    //干了一大堆其他事情
    boost::shared_ptr<test> sharePtr_2 = weakPtr.lock(); 
    if (sharePtr_2) 
        sharePtr_2->print();
    return 0; 
}

6. Boost::shared_array<T> 和Boost::scoped_array<T>

6.1 定义

    前面提到过shared_ptr和scoped_ptr不能用于数组的内存（new []），所以shared_array和scoped_array就是他们的代替品。

6.2 例子

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) 
{ 
    const int size = 10; 
    boost::shared_array<test> a(new test[]);
    for (int i = 0; i < size; ++i) 
        a[i].print();
    return 0; 
}

7.std::auto_ptr

7.1 定义

　　auto_ptr是C++标准库里的类，它接受一个类型形参的模板，为动态分配的对象提供异常安全。其实，它的核心思想是：用一个对象存储需要被自动释放的资源，然后依靠对象的析构函数来释放资源。

7.2 特点

(1)auto_ptr的构造函数带explicit 关键字，必须使用初始化的直接形式来创建auto_ptr对象。        

auto_ptr<int> ap(new int(1024));  //ok   
auto_ptr<int> ap=new int(1024);   //error

(2)auto_ptr 在析构函数中释放了动态分配的空间，因此能自动释放内存。下面函数只动态分配了内存，并没有显示释放。但是编译器保证在展开栈越过f之前运行pi的析构函数。

void f() { auto_ptr<int> ap(new int(1024)); } 

(3)auto_ptr重载了解引用操作符和箭头操作符，支持了普通指针的行为。

(4)赋值时删除了左操作数指向的对象

auto_ptr<int> ap1(new int(1024));  auto_ptr<int> ap2;
ap2=ap1;

       将ap1赋值给ap2后，删除了ap2原来指的对象；ap2置为指向ap1所指的对象；ap1为未绑定对象。可看代码。

(5)测试auto_ptr对象，可以调用get成员函数，该函数返回包含在auto_ptr对象中的基础指针。

if(ap.get())  *ap=512;   //ok          
if(ap) *ap=512;             //error

7.3 使用原则

尽管auto_ptr类模板为处理动态分配的内存提供了安全性和便利性的尺度，但是也存在不少缺陷，接下来结合例子给出auto_ptr的一些缺陷。

（1）不要使用auto_ptr对象保存指向静态分配对象的指针。否则，当auto_ptr对象本身被撤销时，它将试图删除指向非动态分配对象的指针，导致未定义的行为。

int a=1;
auto_ptr<int> ap(&a);  //编译没有问题，会导致未定义行为

（2）不要使两个auto_ptr对象指向同一对象。

auto_ptr<int> ap1(new int (1024));
auto_ptr<int> ap2(ap1.get());

（3）不要使用auto_ptr对象保存指向动态分配数组的指针。从源代码中可以看出，它用的是delete操作符，而不是delete [ ] 操作符

（4）不要将auto_ptr对象存储在容器中。因为auto_ptr的复制和赋值具有破坏性。不满足容器要求：复制或赋值后，两个对象必须具有相同值。

7.4 例子

#include <utility>
#include <iostream>
using namespace std;
 
class A
{
public:
    A() { id = ++count; cout << "create A" << id  <<  "
"; }
    ~A() { cout << "destroy A" << id << "
"; }
private:
    static int count;
    int id;
};
 
int A::count = 0;
 
/*调用该函数会丢失掉所有权*/
void sink(auto_ptr<A> a)
{
    cout << "Enter sink()
";
}
 
/*调用该函数会创建对象，并获取所有权*/
auto_ptr<A> create()
{
    cout << "Enter create()
";
    auto_ptr<A> a(new A());
    return a;
}
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    auto_ptr<A> a1 = create();
    auto_ptr<A> a2 = a1; /*转移所有权，此时a1无效了*/
    auto_ptr<A> a3(new A());
    cout << "Exit create()
";
    sink(a2);/*丢失所有权，会发现a2的释放在sink函数中进行*/
    cout << "Exit sink()
";
    return 0;
}
 
输出结果是：<br>Enter create()<br>create A1<br>create A2<br>Exit create()<br>Enter sink()<br>destroy A1<br>Exit sink()<br>destroy A2<br><br>

8. 使用智能指针的几个注意点

(1)声明一个智能指针的时候要立即给它实例化， 而且一定不能手动释放它。

(2)…_ptr<T> 不是T* 类型。所以：

          a: 声明的时候要…_ptr<T> 而不是….._ptr<T*>。

          b：不能把T* 型的指针赋值给它。

          c: 不能写ptr=NULL, 而用ptr.reset()代替。

(3)不能循环引用。

(4)不要声明临时的share_ptr， 然后把这个指针传递给一个函数。

原文链接:http://www.cnblogs.com/sld666666/archive/2010/12/16/1908265.html