【问题标题】:What is a smart pointer and when should I use one?什么是智能指针,我应该什么时候使用它?
【发布时间】:2010-09-11 12:19:59
【问题描述】:

什么是智能指针,我应该什么时候使用?

【问题讨论】:

标签: c++ pointers c++11 smart-pointers c++-faq


【解决方案1】:

smart pointer 是一种类似指针的类型,具有一些附加功能,例如自动内存释放、引用计数等。

页面Smart Pointers - What, Why, Which?上提供了一个简短的介绍。

一种简单的智能指针类型是std::auto_ptr(C++ 标准的第 20.4.5 章),它允许在内存超出范围时自动释放内存,并且在抛出异常时比简单的指针使用更健壮,虽然不太灵活。

另一个方便的类型是boost::shared_ptr,它实现了引用计数并在没有对对象的引用时自动释放内存。这有助于避免内存泄漏,并且易于使用来实现RAII

本书"C++ Templates: The Complete Guide" by David Vandevoorde, Nicolai M. Josuttis第20章智能指针深入介绍了该主题。 涵盖的一些主题:

【讨论】:

  • 警告std::auto_ptr 已被弃用并且非常不鼓励,因为您可能会意外转移所有权。 -- C++11 不再需要 Boost,使用:std::unique_ptrstd::shared_ptrstd::weak_ptr
【解决方案2】:

以下是现代 C++(C++11 及更高版本)的一个简单答案:

  • “什么是智能指针?”
    它是一种类型,其值可以像指针一样使用,但它提供了自动内存管理的附加功能:当智能指针不再使用时,它指向的内存将被释放(另请参阅the more detailed definition on Wikipedia)。
  • “我应该什么时候使用?”
    在涉及跟踪一块内存的所有权、分配或取消分配的代码中;智能指针通常让您无需明确地执行这些操作。
  • “但是在哪种情况下我应该使用哪个智能指针?”
    • 如果您希望对象的存在时间与对它的单个拥有引用的存在时间一样长,请使用std::unique_ptr。例如,将它用于指向内存的指针,该指针在进入某个范围时被分配,在退出范围时被取消分配。
    • 当您确实想从多个位置引用您的对象时使用std::shared_ptr - 并且不希望在所有这些引用本身都消失之前释放您的对象。
    • 当您确实想从多个位置引用您的对象时使用std::weak_ptr - 对于那些可以忽略和取消分配的引用(因此当您尝试取消引用时他们会注意到该对象已消失)。
    • 不要使用boost:: 智能指针或std::auto_ptr,除非在特殊情况下,如果您必须阅读的话。
  • “嘿,我没问用哪一个!”
    啊,但你真的很想,承认吧。
  • “那么我什么时候应该使用常规指针呢?”
    主要是在忽略内存所有权的代码中。这通常是在从其他地方获取指针并且不分配或取消分配的函数中,并且不存储指针的副本以延长其执行时间。

【讨论】:

  • 值得注意的是,虽然智能(拥有)指针有助于正确的内存管理,但原始(非拥有)指针对于数据结构中的其他组织目的仍然有用。 Herb Sutter 在 CppCon 2016 上就此事做了精彩的演讲,你可以在 YouTube 上看到:Leak-Freedom in C++... By Default.
  • @wiktor.wandachowicz T*std::unique_ptr<T> std::weak_ptr<T>std::shared_ptr<T>
  • @Caleth:不,我不会这么说。
【解决方案3】:

什么是智能指针。

长版,原则上:

https://web.stanford.edu/class/archive/cs/cs106l/cs106l.1192/lectures/lecture15/15_RAII.pdf

现代 C++ 习语:

RAII: Resource Acquisition Is Initialization.

● When you initialize an object, it should already have 
  acquired any resources it needs (in the constructor).


● When an object goes out of scope, it should release every 
  resource it is using (using the destructor).

关键点:

● There should never be a half-ready or half-dead object.
● When an object is created, it should be in a ready state.
● When an object goes out of scope, it should release its resources. 
● The user shouldn’t have to do anything more. 

原始指针违反RAII:当指针超出范围时需要用户手动删除。

RAII 解决方案是:

Have a smart pointer class:
● Allocates the memory when initialized
● Frees the memory when destructor is called
● Allows access to underlying pointer

智能指针需要复制共享,使用shared_ptr:

● use another memory to store Reference counting and shared.
● increment when copy, decrement when destructor.
● delete memory when Reference counting is 0. 
  also delete memory that store Reference counting.

对于不拥有原始指针的智能指针,使用weak_ptr:

● not change Reference counting.

shared_ptr 用法:

correct way:
std::shared_ptr<T> t1 = std::make_shared<T>(TArgs);
std::shared_ptr<T> t2 = std::shared_ptr<T>(new T(Targs));

wrong way:
T* pt = new T(TArgs); // never exposure the raw pointer
shared_ptr<T> t1 = shared_ptr<T>(pt);
shared_ptr<T> t2 = shared_ptr<T>(pt);

始终避免使用原始指针。

对于必须使用原始指针的场景:

https://stackoverflow.com/a/19432062/2482283

对于非 nullptr 的原始指针,请改用引用。

not use T*
use T&  

对于可能为 nullptr 的可选引用,使用原始指针,这意味着:

T* pt; is optional reference and maybe nullptr.
Not own the raw pointer, 
Raw pointer is managed by some one else.
I only know that the caller is sure it is not released now.

【讨论】:

    【解决方案4】:

    更新

    这个答案相当陈旧,因此描述了当时的“好”,即 Boost 库提供的智能指针。从 C++11 开始,标准库已经提供了足够多的智能指针类型,因此您应该倾向于使用std::unique_ptrstd::shared_ptrstd::weak_ptr

    还有std::auto_ptr。它非常像一个作用域指针,除了它还具有被复制的“特殊”危险能力——这也会意外地转移所有权。
    它在 C++11 中被弃用,在 C++ 中被删除17,所以你不应该使用它。

    std::auto_ptr<MyObject> p1 (new MyObject());
    std::auto_ptr<MyObject> p2 = p1; // Copy and transfer ownership. 
                                     // p1 gets set to empty!
    p2->DoSomething(); // Works.
    p1->DoSomething(); // Oh oh. Hopefully raises some NULL pointer exception.
    

    老答案

    智能指针是一个封装了“原始”(或“裸”)C++ 指针的类,用于管理所指向对象的生命周期。没有单一的智能指针类型,但它们都试图以实用的方式抽象原始指针。

    智能指针应该优先于原始指针。如果你觉得你需要使用指针(首先考虑你是否真的这样做),你通常会想要使用智能指针,因为这可以缓解原始指针的许多问题,主要是忘记删除对象和内存泄漏。

    使用原始指针,程序员必须在对象不再有用时显式销毁它。

    // Need to create the object to achieve some goal
    MyObject* ptr = new MyObject(); 
    ptr->DoSomething(); // Use the object in some way
    delete ptr; // Destroy the object. Done with it.
    // Wait, what if DoSomething() raises an exception...?
    

    通过比较,智能指针定义了关于何时销毁对象的策略。您仍然需要创建对象,但您不再需要担心销毁它。

    SomeSmartPtr<MyObject> ptr(new MyObject());
    ptr->DoSomething(); // Use the object in some way.
    
    // Destruction of the object happens, depending 
    // on the policy the smart pointer class uses.
    
    // Destruction would happen even if DoSomething() 
    // raises an exception
    

    使用中最简单的策略涉及智能指针包装对象的范围,例如由boost::scoped_ptrstd::unique_ptr 实现。

    void f()
    {
        {
           std::unique_ptr<MyObject> ptr(new MyObject());
           ptr->DoSomethingUseful();
        } // ptr goes out of scope -- 
          // the MyObject is automatically destroyed.
    
        // ptr->Oops(); // Compile error: "ptr" not defined
                        // since it is no longer in scope.
    }
    

    请注意,std::unique_ptr 实例无法复制。这可以防止指针被多次(错误地)删除。但是,您可以将对它的引用传递给您调用的其他函数。

    std::unique_ptrs 在您想将对象的生命周期与特定代码块联系起来,或者如果您将其作为成员数据嵌入到另一个对象中,即该另一个对象的生命周期时非常有用。该对象一直存在,直到退出包含代码块,或者直到包含对象本身被销毁。

    更复杂的智能指针策略涉及对指针进行引用计数。这确实允许复制指针。当对象的最后一个“引用”被销毁时,该对象被删除。此政策由boost::shared_ptrstd::shared_ptr 实施。

    void f()
    {
        typedef std::shared_ptr<MyObject> MyObjectPtr; // nice short alias
        MyObjectPtr p1; // Empty
    
        {
            MyObjectPtr p2(new MyObject());
            // There is now one "reference" to the created object
            p1 = p2; // Copy the pointer.
            // There are now two references to the object.
        } // p2 is destroyed, leaving one reference to the object.
    } // p1 is destroyed, leaving a reference count of zero. 
      // The object is deleted.
    

    当您的对象的生命周期要复杂得多,并且不直接绑定到特定代码部分或另一个对象时,引用计数指针非常有用。

    引用计数指针有一个缺点——可能会创建一个悬空引用:

    // Create the smart pointer on the heap
    MyObjectPtr* pp = new MyObjectPtr(new MyObject())
    // Hmm, we forgot to destroy the smart pointer,
    // because of that, the object is never destroyed!
    

    另一种可能性是创建循环引用:

    struct Owner {
       std::shared_ptr<Owner> other;
    };
    
    std::shared_ptr<Owner> p1 (new Owner());
    std::shared_ptr<Owner> p2 (new Owner());
    p1->other = p2; // p1 references p2
    p2->other = p1; // p2 references p1
    
    // Oops, the reference count of of p1 and p2 never goes to zero!
    // The objects are never destroyed!
    

    为了解决这个问题,Boost 和 C++11 都定义了 weak_ptr 来定义对 shared_ptr 的弱(未计数)引用。

    【讨论】:

    • 你的意思是std::auto_ptr&lt;MyObject&gt; p1 (new MyObject());而不是std::auto_ptr&lt;MyObject&gt; p1 (new Owner());
    • 很棒的答案。要是能针对 c++11 更新就好了。我发现这个答案是为了寻找有关新 11 标准的信息,如果未来的访问者能找到更新的信息,那就太好了。我知道 auto_ptr 已被弃用。我相信 shated_ptr 和 weak_ptr 如所描述的那样存在,并且我认为 scoped_ptr 现在是标准中的 unique_ptr 。如果这是真的,请问这个答案可以更新吗?
    • 要说创建悬空引用的可能性是引用计数指针的一个缺点,这绝对是疯了。可能的悬空引用是任何 C++ 指针 的缺点。事实上,智能指针旨在减轻正是那个缺点
    • 如果您声明一个指向智能指针的指针(如示例中所做的那样),您会故意放弃智能指针的所有好处。这不是缺点或设计缺陷,这是可以想象的最愚蠢的用法。
    • const std::auto_ptr 可以安全使用,如果你被 C++03 卡住的话。在我接触到 C++11 之前,我经常将它用于 pimpl 模式。
    【解决方案5】:

    现有答案很好,但没有涵盖当智能指针不是您要解决的问题的(完整)答案时该怎么做。

    除其他事项外(在其他答案中有很好的解释),使用智能指针是How do we use a abstract class as a function return type? 的一种可能解决方案,已被标记为该问题的副本。但是,如果想在 C++ 中将抽象(或实际上任何)基类指定为返回类型,第一个要问的问题是“你真正的意思是什么?”。在boost pointer container library 的文档中,对 C++ 中惯用的面向对象编程(以及这与其他语言有何不同)进行了很好的讨论(有进一步的参考资料)。总之,在 C++ 中,您必须考虑所有权。哪些智能指针可以帮助您,但不是唯一的解决方案,或者始终是完整的解决方案(它们不会为您提供多态副本)并且并不总是您想要在界面中公开的解决方案(并且函数返回听起来很糟糕很像一个界面)。例如,返回一个引用可能就足够了。但是在所有这些情况下(智能指针、指针容器或简单地返回引用),您已经将返回从 value 更改为某种形式的 reference。如果您确实需要副本,您可能需要添加更多样板“习语”,或者使用诸如 Adobe PolyBoost.TypeErasure 之类的库将 C++ 中的惯用(或其他)OOP 转移到更通用的多态性。

    【讨论】:

      【解决方案6】:

      智能指针是一个类,一个普通指针的包装器。与普通指针不同,智能点的生命周期基于引用计数(分配智能指针对象的次数)。因此,每当将一个智能指针分配给另一个智能指针时,内部引用计数就会加上。并且每当对象超出范围时,引用计数就会减负。

      自动指针虽然看起来很相似,但与智能指针完全不同。这是一个方便的类,当自动指针对象超出变量范围时,它会释放资源。在某种程度上,它使指针(指向动态分配的内存)的工作方式类似于堆栈变量(在编译时静态分配)。

      【讨论】:

        【解决方案7】:

        Chris、Sergdev 和 Llyod 提供的定义是正确的。不过,我更喜欢一个更简单的定义,只是为了让我的生活简单: 智能指针只是一个重载-&gt;* 运算符的类。这意味着你的对象在语义上看起来像一个指针,但你可以让它做一些更酷的事情,包括引用计数、自动销毁等。 在大多数情况下,shared_ptrauto_ptr 就足够了,但也有它们自己的一些小特质。

        【讨论】:

          【解决方案8】:

          智能指针是那些您不必担心内存解除分配、资源共享和传输的指针。

          您可以很好地使用这些指针,就像在 Java 中进行任何分配一样。在 java Garbage Collector 中可以做到这一点,而在 Smart Pointers 中,这个技巧是由析构函数完成的。

          【讨论】:

            【解决方案9】:

            在本教程中让 T 成为一个类 C++中的指针可以分为3种类型:

            1) 原始指针

            T a;  
            T * _ptr = &a; 
            

            它们将内存地址保存到内存中的某个位置。谨慎使用,因为程序变得复杂难以跟踪。

            带有 const 数据或地址的指针 { 向后读取 }

            T a ; 
            const T * ptr1 = &a ; 
            T const * ptr1 = &a ;
            

            指向数据类型 T 的指针,它是一个 const。这意味着您不能使用指针更改数据类型。即*ptr1 = 19;不管用。但是你可以移动指针。即ptr1++ , ptr1--;等会工作。 向后阅读:指向类型 T 的指针,即 const

              T * const ptr2 ;
            

            指向数据类型 T 的 const 指针。这意味着您不能移动指针,但可以更改指针指向的值。即*ptr2 = 19 将起作用,但ptr2++ ; ptr2-- 等将不起作用。向后阅读:指向类型 T 的 const 指针

            const T * const ptr3 ; 
            

            指向 const 数据类型 T 的 const 指针。这意味着您既不能移动指针,也不能将数据类型指针更改为指针。 IE 。 ptr3-- ; ptr3++ ; *ptr3 = 19; 不起作用

            3) 智能指针 : { #include &lt;memory&gt; }

            共享指针

              T a ; 
                 //shared_ptr<T> shptr(new T) ; not recommended but works 
                 shared_ptr<T> shptr = make_shared<T>(); // faster + exception safe
            
                 std::cout << shptr.use_count() ; // 1 //  gives the number of " 
            things " pointing to it. 
                 T * temp = shptr.get(); // gives a pointer to object
            
                 // shared_pointer used like a regular pointer to call member functions
                  shptr->memFn();
                 (*shptr).memFn(); 
            
                //
                 shptr.reset() ; // frees the object pointed to be the ptr 
                 shptr = nullptr ; // frees the object 
                 shptr = make_shared<T>() ; // frees the original object and points to new object
            

            实现使用引用计数来跟踪有多少“事物”指向指针所指向的对象。当此计数变为 0 时,该对象被自动删除,即当所有指向该对象的 share_ptr 超出范围时,objected 被删除。 这消除了必须删除使用 new 分配的对象的麻烦。

            弱指针: 帮助处理使用共享指针时出现的循环引用 如果您有两个由两个共享指针指向的对象,并且有一个内部共享指针指向彼此的共享指针,那么将有一个循环引用,并且当共享指针超出范围时,该对象不会被删除。要解决此问题,请将内部成员从 shared_ptr 更改为 weak_ptr。注意:要访问弱指针指向的元素,请使用 lock() ,这将返回一个weak_ptr。

            T a ; 
            shared_ptr<T> shr = make_shared<T>() ; 
            weak_ptr<T> wk = shr ; // initialize a weak_ptr from a shared_ptr 
            wk.lock()->memFn() ; // use lock to get a shared_ptr 
            //   ^^^ Can lead to exception if the shared ptr has gone out of scope
            if(!wk.expired()) wk.lock()->memFn() ;
            // Check if shared ptr has gone out of scope before access
            

            见:When is std::weak_ptr useful?

            唯一指针: 具有专有所有权的轻量级智能指针。当指针指向唯一对象而不在指针之间共享对象时使用。

            unique_ptr<T> uptr(new T);
            uptr->memFn(); 
            
            //T * ptr = uptr.release(); // uptr becomes null and object is pointed to by ptr
            uptr.reset() ; // deletes the object pointed to by uptr 
            

            要更改唯一 ptr 指向的对象,请使用移动语义

            unique_ptr<T> uptr1(new T);
            unique_ptr<T> uptr2(new T);
            uptr2 = std::move(uptr1); 
            // object pointed by uptr2 is deleted and 
            // object pointed by uptr1 is pointed to by uptr2
            // uptr1 becomes null 
            

            参考资料: 它们本质上可以看作是 const 指针,即一个 const 指针,不能用更好的语法移动。

            见:What are the differences between a pointer variable and a reference variable in C++?

            r-value reference : reference to a temporary object   
            l-value reference : reference to an object whose address can be obtained
            const reference : reference to a data type which is const and cannot be modified 
            

            参考: https://www.youtube.com/channel/UCEOGtxYTB6vo6MQ-WQ9W_nQ 感谢 Andre 指出这个问题。

            【讨论】:

              【解决方案10】:

              这里是类似答案的链接:http://sickprogrammersarea.blogspot.in/2014/03/technical-interview-questions-on-c_6.html

              智能指针是一个对象,其行为、外观和感觉都像普通指针,但提供更多功能。在 C++ 中,智能指针被实现为封装指针并覆盖标准指针运算符的模板类。与常规指针相比,它们具有许多优点。它们保证被初始化为空指针或指向堆对象的指针。检查通过空指针的间接性。不需要删除。当指向对象的最后一个指针消失时,对象会自动释放。这些智能指针的一个重要问题是,与常规指针不同,它们不尊重继承。智能指针对多态代码没有吸引力。下面给出了一个智能指针的实现示例。

              示例:

              template <class X>
              class smart_pointer
              {
                        public:
                             smart_pointer();                          // makes a null pointer
                             smart_pointer(const X& x)            // makes pointer to copy of x
              
                             X& operator *( );
                             const X& operator*( ) const;
                             X* operator->() const;
              
                             smart_pointer(const smart_pointer <X> &);
                             const smart_pointer <X> & operator =(const smart_pointer<X>&);
                             ~smart_pointer();
                        private:
                             //...
              };
              

              这个类实现了一个指向 X 类型对象的智能指针。对象本身位于堆上。使用方法如下:

              smart_pointer <employee> p= employee("Harris",1333);
              

              与其他重载运算符一样,p 的行为类似于常规指针,

              cout<<*p;
              p->raise_salary(0.5);
              

              【讨论】:

                【解决方案11】:

                智能指针是一个对象,其行为类似于指针,但还提供对构造、销毁、复制、移动和取消引用的控制。

                可以实现自己的智能指针,但许多库也提供智能指针实现,每个都有不同的优点和缺点。

                例如,Boost 提供以下智能指针实现:

                • shared_ptr&lt;T&gt; 是指向 T 的指针,使用引用计数来确定何时不再需要该对象。
                • scoped_ptr&lt;T&gt; 是超出范围时自动删除的指针。不能分配。
                • intrusive_ptr&lt;T&gt; 是另一个引用计数指针。它提供比shared_ptr 更好的性能,但需要T 类型提供自己的引用计数机制。
                • weak_ptr&lt;T&gt; 是一个弱指针,与 shared_ptr 一起工作以避免循环引用。
                • shared_array&lt;T&gt; 类似于 shared_ptr,但对于 T 的数组。
                • scoped_array&lt;T&gt; 类似于 scoped_ptr,但对于 T 的数组。

                这些只是每个的一个线性描述,可以根据需要使用,更多细节和示例可以查看 Boost 的文档。

                此外,C++ 标准库提供了三个智能指针; std::unique_ptr 用于唯一所有权,std::shared_ptr 用于共享所有权,std::weak_ptrstd::auto_ptr 存在于 C++03 中,但现在已弃用。

                【讨论】:

                • 请解释为什么scoped_ptr 不像本地声明的const unique_ptr - 在退出范围时也会被删除。
                【解决方案12】:

                智能指针类似于常规(类型化)指针,如“char*”,除非指针本身超出范围,然后它指向的内容也会被删除。您可以像使用常规指针一样使用它,使用“->”,但如果您需要指向数据的实际指针,则不能。为此,您可以使用“&*ptr”。

                对以下有用:

                • 必须用 new 分配的对象,但您希望与该堆栈上的某些对象具有相同的生命周期。如果对象被分配给智能指针,那么当程序退出该函数/块时,它们将被删除。

                • 类的数据成员,因此当对象被删除时,所有拥有的数据也会被删除,而析构函数中没有任何特殊代码(您需要确保析构函数是虚拟的,这几乎总是一件好事)。

                您可能希望在以下情况下使用智能指针:

                • ...指针实际上不应拥有数据...即,当您只是使用数据时,但您希望它在您引用它的函数中继续存在。
                • ... 智能指针本身不会在某个时候被销毁。您不希望它位于永远不会被破坏的内存中(例如在动态分配但不会被显式删除的对象中)。
                • ... 两个智能指针可能指向相同的数据。 (不过,还有更智能的指针可以处理这个问题……称为reference counting。)

                另见:

                【讨论】:

                  【解决方案13】:

                  大多数类型的智能指针都会为您处理指向对象的处置。它非常方便,因为您不必再​​考虑手动处理对象了。

                  最常用的智能指针是std::tr1::shared_ptr(或boost::shared_ptr),不太常见的是std::auto_ptr。我建议经常使用shared_ptr

                  shared_ptr 用途广泛,可处理多种处理场景,包括对象需要“跨 DLL 边界传递”的情况(如果您的代码和DLL)。

                  【讨论】:

                    【解决方案14】:

                    http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_pointer

                    在计算机科学中,智能指针 是一种抽象数据类型 在提供时模拟指针 附加功能,例如自动 垃圾收集或边界检查。 这些附加功能旨在 减少因误用而导致的错误 指针同时保持效率。 智能指针通常会跟踪 指向它们的对象 内存管理的目的。这 滥用指针是主要来源 错误:不断分配, 必须的释放和引用 由编写的程序执行 使用指针很可能 会发生一些内存泄漏。 智能指针试图阻止内存 通过制作资源泄漏 自动释放:当 指向对象的指针(或最后一个 系列指针)被破坏,因为 例如,因为它超出了范围, 指向的对象也被破坏了。

                    【讨论】:

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