智能指针auto_ptr详解

主要内容转自http://www.cppblog.com/SmartPtr/archive/2007/07/05/27549.html

1. 智能指针auto_ptr的引入

auto_ptr是C++标准库中的智能指针模板类，头文件<memory>

auto_ptr的出现，主要是为了解决“有异常抛出时发生内存泄漏”的问题。如下的简单代码是这类问题的一个简单示例。

int* p = new int(100);
try
{
    doSomething();

    cout << *p << endl;

    delete p;
}
catch(exception& e)
{
    
}

当doSomething();部分抛出异常，将导致指针p所指向的空间得不到释放而导致内存泄露。auto_ptr的引入解决了这类问题。

2. auto_ptr的源代码(未可读性进行了少许改动的源码)

namespace std
{
 template<class T>
 class auto_ptr 
 {
 private:
  T* ap; 
 public:

  // constructor & destructor ----------------------------------- (1)
  explicit auto_ptr (T* ptr = 0) throw() : ap(ptr){}

  ~auto_ptr() throw() 
  {
   delete ap;
  }

  
  // Copy & assignment --------------------------------------------(2)
  auto_ptr (auto_ptr& rhs) throw() :ap(rhs.release()) {}
  template<class Y>  
  auto_ptr (auto_ptr<Y>& rhs) throw() : ap(rhs.release()) { }

  auto_ptr& operator= (auto_ptr& rhs) throw() 
  {
   reset(rhs.release());
   return *this;
  }
  template<class Y>
  auto_ptr& operator= (auto_ptr<Y>& rhs) throw() 
  {
   reset(rhs.release());
   return *this;
  }

  // Dereference----------------------------------------------------(3)
  T& operator*() const throw() 
  {
   return *ap;
  }
  T* operator->() const throw() 
  {
   return ap;
  }

  // Helper functions------------------------------------------------(4)
  // value access
  T* get() const throw() 
  {
   return ap;
  }

  // release ownership
  T* release() throw()
  {
   T* tmp(ap);
   ap = 0;
   return tmp;
  }

  // reset value
  void reset (T* ptr=0) throw() 
  {
   if (ap != ptr) 
   {
    delete ap;
    ap = ptr;
   }
  }

  // Special conversions-----------------------------------------------(5)
  template<class Y>
  struct auto_ptr_ref
  {
   Y* yp;
   auto_ptr_ref (Y* rhs) : yp(rhs) {}
  };

  auto_ptr(auto_ptr_ref<T> rhs) throw() : ap(rhs.yp) { }
  auto_ptr& operator= (auto_ptr_ref<T> rhs) throw() 
  {  
   reset(rhs.yp);
   return *this;
  }
  template<class Y>
  operator auto_ptr_ref<Y>() throw() 
  {
   return auto_ptr_ref<Y>(release());
  }
  template<class Y>
  operator auto_ptr<Y>() throw()
  {
   return auto_ptr<Y>(release());
  }
 };
}

3. auto_ptr的使用

3.1 创建auto_ptr对象

auto_ptr构造时取得某个对象的所有权，在析构时释放该对象。我们实际上是创建一个auto_ptr<Type>类型的局部对象，该局部对象析构时，会将自身所拥有的指针空间释放，所以不会有内存泄露。

auto_ptr<int> p(new int(1));//推荐

//或
int* np = new int(1);
auto_ptr<int> p(np);

创建auto_ptr对象时注意的几个问题

(1) auto_ptr的构造函数为explicit，阻止了一般指针隐式类型转换为auto_ptr的构造，所以如下的创建方式是编译不过的。

int* p = new int(1);
auto_ptr<int> ap = p;

如下代码详细解释了关于explicit的作用。

#include <iostream>
using namespace std;

class Test1
{
        public:
                Test1(int i):iValue(i){};
        private:
                int iValue;
                char cValue;
};

class Test2
{
        public:
                explicit Test2(int i):iValue(i){};
        private:
                int iValue;
                char cValue;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
        Test1 t1 = 1;//t1.iValue值为1,cValue值为char类型默认值
        Test2 t2 = 2;//编译不过, error: conversion from 'int' to non-scalar type 'Test2' requested
}

(2) 由于auto_ptr对象析构时会删除它所拥有的指针，所以使用时避免多个auto_ptr对象管理同一个指针。如下的使用方法应该避免。

int* np = new int(1);
auto_ptr<int> p1(np);
auto_ptr<int> p2(np);

这样使用会造成p1和p2在析构时都试图删除np,C++标准中多次删除同一个对象会导致未定义的行为。且当p1析构而p2仍然被使用时，会导致空指针访问风险。

(3)auto_ptr的内部实现中，析构函数中删除对象使用delete而不是delete[]，所以auto_ptr不能用来管理数组指针。

int *p = new int[100];
auto_ptr<int> ap(p);

如上使用auto_ptr的方式，在ap析构时，执行delete，仅仅释放了数组的第一个元素的空间，仍然会造成内存泄漏，所有使用auto_ptr管理数组不合理的。

(4)C++中对一个空指针NULL执行delete操作是安全的。所以在auto_ptr的析构函数中无须判断它所拥有指针是否为空。

3.2 auto_ptr的拷贝构造和赋值

auto_ptr要求对它所拥有的指针完全占有，这一点与引用计数的智能指针不同，也就是说，一个一般指针不能同时被两个auto_ptr所拥有，一方面使用者要避免将用同一个指针构造auto_ptr(3.1(2)的那种方式)，另一方面auto_ptr在拷贝构造和赋值运算符重载时要做特殊处理，具体的做法是对所有权进行了完全转移，在拷贝和赋值时，剥夺原auto_ptr对指针的拥有权，赋予当前auto_ptr对指针的拥有权，当前auto_ptr获得auto_ptr的指针，并使原auto_ptr的指针置空，由于会修改原对象，所以auto_ptr的拷贝构造函数以及赋值运算符重重载函数的参数是引用而不是常(const)引用。

这部分需要注意的几个问题

(1) auto_ptr对象被拷贝或者被赋值后，已经失去了对原指针的所有权，此时，对这个auto_ptr的读取操作是不安全的。如下代码是不安全的。

auto_ptr<int> p1(new int(1));
auto_ptr<int> p2(p1);
cout << *p1 << endl;

//and
auto_ptr<int> p3=p1;
cout << *p1 << endl;

这种情况较为隐蔽的情形出现在将auto_ptr作为函数参数按值传递，因为在函数调用过程中在函数的作用域中会产生一个局部的临时auto_ptr对象来接收传入的 auto_ptr(拷贝构造)，这样，传入的实参auto_ptr的对其指针的所有权转移到了临时auto_ptr对象上，临时auto_ptr在函数退出时析构，所以当函数调用结束，原实参所指向的对象已经被删除了。

void func(auto_ptr<int> ap)
{
cout << *ap << endl;
}

auto_ptr<int> ap(new int(1));
func(ap);
cout << *ap1 << endl;//错误，函数调用结束后，ap1已经不再拥有任何对象了

因此要避免使用auto_ptr对象作为函数参数按值传递，按引用传递在调用函数是不会发生所有权转移，但是无法预测函数体内的操作，有可能在函数体内进行了所有权的转移，因此按引用传递auto_ptr作为函数参数也是不安全的。使用const 引用传递则可以阻止在函数体内对auto_ptr对象的所有权转移。如果不得不使用auto_ptr对象作为函数参数时，尽量使用const引用传递参数。

(2) auto_ptr支持所拥有的指针类型之间的隐式类型转换。

class base{};
class derived: public base{};
//下列代码就可以通过，实现从auto_ptr<derived>到auto_ptr<base>的隐式转换，因为derived*可以转换成base*类型
auto_ptr<base> apbase = auto_ptr<derived>(new derived);

(3) C++的STL容器对于容器元素类型的要求是有值语义，即可以赋值和复制。auto_ptr在赋值和复制时都进行了特殊操作，所以auto_ptr对象不能作为STL容器元素。

3.3 auto_ptr对象的提领操作。

可以像使用一般指针一样，通过*和->运算符对auto_ptr所有用的指针进行提领操作。首先必须确保这个auto_ptr对象确实拥有某个指针，否则，这个操作的行为即对空指针的提领是未定义的。

struct A
{
 void f();
}
auto_ptr<A> apa(new A);
(*apa).f();
apa->f();

3.4 auto_ptr的辅助函数

(1) T* get(),获得auto_ptr所拥有的指针。

(2) T* release(), 释放auto_ptr的所有权，并将所有用指针返回。

(3) void reset(T* ptr=0), 接收所有权，接收之前拥有其它指针的话，必须先释放其空间。