智能指針

為了使管理動(dòng)態(tài)內(nèi)存更容易、更安全，新標(biāo)準(zhǔn)庫提供了兩種管理動(dòng)態(tài)對(duì)象的智能指針類型少梁。智能指針的作用類似于常規(guī)指針，但格外重要的是它會(huì)自動(dòng)刪除它指向的對(duì)象矫付。新標(biāo)準(zhǔn)庫定義了兩種智能指針凯沪，它們?cè)诠芾淼讓又羔樂矫嬗兴煌?code>shared_ptr（允許多個(gè)指針引用同一個(gè)對(duì)象）和unique_ptr（“擁有”它指向的對(duì)象）。該庫還定義了一個(gè)名為weak_ptr的伴隨類买优，它是對(duì)shared_ptr管理的對(duì)象的弱引用妨马。這三個(gè)類都在頭文件<memory>中定義。
關(guān)于頭文件<memory>的更多信息請(qǐng)參考header <memory>杀赢。

shared_ptr類

與vector一樣烘跺，智能指針也是模板。因此脂崔，當(dāng)我們創(chuàng)建智能指針時(shí)滤淳，我們必須提供附加信息，即在這種情況下砌左，指針可以指向的類型脖咐。與vector一樣，我們?cè)诩饫ㄌ?hào)內(nèi)提供該類型汇歹，它遵循我們定義的智能指針類型的名稱：

Code:
    shared_ptr<string> p1;      // shared_ptr that can point at a string
    shared_ptr<list<int>> p2;   // shared_ptr that can point at a list of ints

默認(rèn)初始化智能指針為空指針文搂。我們也可以使用其他初始化摸板類的方法對(duì)其進(jìn)行初始化。
我們使用智能指針的方式類似于使用指針秤朗。解引用智能指針會(huì)返回指針指向的對(duì)象煤蹭。當(dāng)我們?cè)跅l件中使用智能指針時(shí)，效果是測(cè)試指針是否為空：

Code:
    // if p1 is not null, check whether it's the empty string
    if (p1 && p1->empty())
        *p1 = "hi";  // if so, dereference p1 to assign a new value to that string

下表中列出了shared_ptr和unique_ptr共有的操作：

下表中列出了shared_ptr獨(dú)有的操作：

關(guān)于shared_ptr更多信息請(qǐng)參考header <shared_ptr>贮泞。

動(dòng)態(tài)分配對(duì)象的列表初始化

我們可以使用直接初始化的方式來初始化動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象。我們也可以使用傳統(tǒng)構(gòu)造的構(gòu)造方式（使用括號(hào)）進(jìn)行初始化幔烛。在新標(biāo)準(zhǔn)下，我們也可以使用列表初始化的方式（帶花括號(hào)）進(jìn)行初始化：

Code:
    int *pi = new int(1024); // object to which pi points has value 1024
    string *ps = new string(10, '9');  // *ps is "9999999999"
    // vector with ten elements with values from 0 to 9
    vector<int> *pv = new vector<int>{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

我們還可以通過使用類型名稱后跟一對(duì)空括號(hào)來初始化動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象：

Code:
    string *ps1 = new string;    // default initialized to the empty string
    string *ps = new string();   // value initialized to the empty string
    int *pi1 = new int;          // default initialized; *pi1 is undefined
    int *pi2 = new int();        // value initialized to 0; *pi2 is 0

對(duì)于定義了自己的構(gòu)造函數(shù)的類類型（如string）囊蓝，類型名稱后面是否后跟一對(duì)空括號(hào)無關(guān)緊要饿悬；無論形式如何，對(duì)象都由默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化聚霜。在內(nèi)置類型的情況下妖谴，類型名稱后面是否后跟一對(duì)空括號(hào)的差異是顯著的驮瞧；內(nèi)置類型的值初始化對(duì)象具有明確定義的值，但默認(rèn)初始化對(duì)象不具有。同樣实牡，對(duì)于那些依賴于編譯器默認(rèn)生成的構(gòu)造函數(shù)的類，類中的內(nèi)置類型的成員沒有在類體中初始化据悔，那么這些成員也將未初始化岳守。
與我們通常初始化變量的原因相同，初始化動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象也是一個(gè)好主意凉唐。

auto和動(dòng)態(tài)分配

當(dāng)我們?cè)诶ㄌ?hào)內(nèi)提供初始化器時(shí)庸追，我們可以使用auto推導(dǎo)出我們想要從該初始化器中生成的對(duì)象的類型。但是台囱，因?yàn)榫幾g器使用初始化器的類型來推斷要分配的類型淡溯，所以我們只能在括號(hào)內(nèi)使用auto和一個(gè)初始化器：

Code:
    auto p1 = new auto(obj);    // p points to an object of the type of obj
                                // that object is initialized from obj
    auto p2 = new auto{a,b,c};  // error: must use parentheses for the initializer

p1是一個(gè)指向由obj通過auto推導(dǎo)出的類型的指針。如果obj是int簿训，則p1是int *咱娶；如果obj是string米间，則p1是string *；依此類推膘侮。新分配的對(duì)象由obj的值進(jìn)行初始化屈糊。

unique_ptr類

unique_ptr“擁有”它指向的對(duì)象。與shared_ptr不同喻喳，一次只能有一個(gè)unique_ptr指向給定對(duì)象另玖。當(dāng)unique_ptr被銷毀時(shí)，unique_ptr指向的對(duì)象將被銷毀表伦。下表列出了unique_ptr特有的操作谦去。

與shared_ptr不同鱼填，沒有與make_shared相類似的庫函數(shù)返回unique_ptr药有。相反，當(dāng)我們定義unique_ptr時(shí)苹丸，我們將它綁定到new返回的指針愤惰，與shared_ptr一樣，我們必須使用直接初始化形式對(duì)其進(jìn)行初始化：

Code:
    unique_ptr<double> p1;            // unique_ptr that can point at a double
    unique_ptr<int> p2(new int(42));  // p2 points to int with value 42

因?yàn)?code>unique_ptr擁有它指向的對(duì)象赘理，所以unique_ptr不支持普通拷貝或賦值：

Code:
    unique_ptr<string> p1(new string("Stegosaurus"));
    unique_ptr<string> p2(p1);    // error: no copy for unique_ptr
    unique_ptr<string> p3;
    p3 = p2;    // error: no assign for unique_ptr

雖然我們無法拷貝或?qū)?code>unique_ptr進(jìn)行賦值宦言，但我們可以通過調(diào)用release或reset將所有權(quán)從一個(gè)（nonconst）unique_ptr轉(zhuǎn)移到另一個(gè)（nonconst）unique_ptr：

Code:
    // transfers ownership from p1 (which points to the string Stegosaurus) to p2
    unique_ptr<string> p2(p1.release());   // release makes p1 null
    unique_ptr<string> p3(new string("Trex"));
    // transfers ownership from p3 to p2
    p2.reset(p3.release());   // reset deletes the memory to which p2 had pointed

release成員函數(shù)返回當(dāng)前存儲(chǔ)在unique_ptr中的指針，并使unique_ptr為null商模。因此奠旺，p2由存儲(chǔ)在p1中的指針值初始化，p1變?yōu)榭铡?br> reset成員接收一個(gè)可選指針施流，并重新定位unique_ptr以指向給定指針凉倚。如果unique_ptr不為null，則刪除unique_ptr指向的對(duì)象嫂沉。因此稽寒，對(duì)p2進(jìn)行的reset調(diào)用釋放了從“Stegosaurus”初始化的字符串所使用的內(nèi)存，將p3的指針傳遞給p2趟章，并使p3為空杏糙。
調(diào)用release會(huì)破壞unique_ptr與其管理的對(duì)象之間的連接慎王。通常由release返回的指針用于初始化或分配另一個(gè)智能指針。在這種情況下宏侍，管理內(nèi)存的責(zé)任只是從一個(gè)智能指針轉(zhuǎn)移到另一個(gè)智能指針赖淤。但是，如果我們不使用另一個(gè)智能指針來保存從release返回的指針谅河，我們的程序?qū)⒇?fù)責(zé)釋放該資源：

Code:
    p2.release();   // WRONG: p2 won't free the memory and we've lost the pointer
    auto p = p2.release();   // ok, but we must remember to delete(p)

關(guān)于unique_str更多信息請(qǐng)參考header <unique_str>咱旱。

weak_ptr類

weak_ptr是一個(gè)智能指針，它不控制它指向的對(duì)象的生命周期绷耍。相反吐限，weak_ptr指向由shared_ptr管理的對(duì)象。將weak_ptr綁定到shared_ptr不會(huì)更改該shared_ptr的引用計(jì)數(shù)褂始。一旦指向該對(duì)象的最后一個(gè)shared_ptr消失诸典，該對(duì)象本身將被刪除。即使有指向它的weak_ptr崎苗，該對(duì)象也將被刪除狐粱。因此名稱為weak_ptr，它強(qiáng)調(diào)了weak_ptr“弱”共享其對(duì)象的想法胆数。
下表列出了weak_ptr的相關(guān)操作：

當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)weak_ptr時(shí)宿刮，我們用shared_ptr初始化它：

Code:
    auto p = make_shared<int>(42);
    weak_ptr<int> wp(p);    // wp weakly shares with p; use count in p is unchanged

這里wp和p都指向同一個(gè)對(duì)象互站。由于共享較弱，創(chuàng)建wp不會(huì)改變p的引用計(jì)數(shù)僵缺；wp點(diǎn)指向的對(duì)象可能會(huì)被刪除胡桃。
因?yàn)閷?duì)象可能不再存在，所以我們不能使用weak_ptr直接訪問其對(duì)象磕潮。要訪問該對(duì)象翠胰，我們必須調(diào)用lock容贝。lock函數(shù)檢查weak_ptr指向的仍然存在的對(duì)象。如果存在之景，lock會(huì)將shared_ptr返回給共享對(duì)象斤富。與任何其他shared_ptr一樣，我們保證shared_ptr指向的底層對(duì)象至少在shared_ptr存在的情況下仍然存在锻狗。例如：

Code:
    if (shared_ptr<int> np = wp.lock()) { // true if np is not null
        // inside the if, np shares its object with p
    }

這里满力，我們只在調(diào)用lock成功時(shí)才進(jìn)入if的主體。在if中轻纪，使用np訪問該對(duì)象是安全的油额。
關(guān)于weak_str更多信息請(qǐng)參考header <weak_str>。

for范圍聲明不適用動(dòng)態(tài)分配的數(shù)組

（array type）桐磁！所以不能對(duì)其使用for范圍聲明悔耘！

動(dòng)態(tài)數(shù)組的列表初始化

新標(biāo)準(zhǔn)下，我們可以使用列表初始化器來初始化一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組：

Code:
    // block of ten ints each initialized from the corresponding initializer
    int *pia3 = new int[10]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    // block of ten strings; the first four are initialized from the given initializers
    // remaining elements are value initialized
    string *psa3 = new string[10]{"a", "an", "the", string(3,'x')};

當(dāng)我們列出初始化內(nèi)置數(shù)組類型的對(duì)象時(shí)我擂，初始化器用于初始化數(shù)組中的第一個(gè)元素衬以。如果初始值設(shè)定項(xiàng)的個(gè)數(shù)少于元素個(gè)數(shù)，則其余元素是值初始化的校摩。如果初始值設(shè)定項(xiàng)多于給定的大小看峻，那么new表達(dá)式將失敗，并且不會(huì)分配任何內(nèi)存衙吩。在這種情況下互妓，new會(huì)拋出bad_array_new_length類型的異常。與bad_alloc一樣坤塞，此類型在new頭中定義冯勉。關(guān)于頭文件new更多的信息可參考header <new>。
雖然我們可以使用空括號(hào)來值初始化數(shù)組的元素摹芙，但是我們不能在括號(hào)內(nèi)提供元素初始值設(shè)定項(xiàng)灼狰。事實(shí)上，我們不能在括號(hào)內(nèi)提供初始值浮禾，這意味著我們不能使用auto來申請(qǐng)分配數(shù)組交胚。

動(dòng)態(tài)分配空數(shù)組是合法的

我們可以使用任意表達(dá)式來確定要分配的對(duì)象數(shù)量：

Code:
    size_t n = get_size(); // get_size returns the number of elements needed
    int* p = new int[n];  // allocate an array to hold the elements
    for (int* q = p; q != p + n; ++q)
        /* process the array*/ ;

一個(gè)有趣的問題出現(xiàn)了：如果get_size返回0會(huì)發(fā)生什么？答案是我們的代碼正常工作盈电。即使我們不能創(chuàng)建大小為0的數(shù)組變量蝴簇，使用n等于0調(diào)用new [n]仍然是合法的：

Code:
    char arr[0];            // error: cannot define a zero-length array
    char *cp = new char[0]; // ok: but cp can't be dereferenced

當(dāng)我們使用new來分配一個(gè)大小為零的數(shù)組時(shí)，new返回一個(gè)有效的非零指針匆帚。該指針與new返回的任何其他指針不同熬词。此指針用作零元素?cái)?shù)組的非結(jié)束指針(off-the-end pointer)。我們可以通過一個(gè)非結(jié)束迭代器(off-the-end iterator)來使用這個(gè)指針吸重〉磁欤可以像在上述代碼中的for循環(huán)那樣比較指針均践。我們可以在這樣的指針上加零（或從中減去零），也可以減去其自身摩幔，得到零彤委。 這種指針不能被解引用。畢竟或衡，它指向的數(shù)組中沒有元素焦影。
在上述代碼中，如果get_size返回0封断，則n也為0斯辰。對(duì)new的調(diào)用將分配一個(gè)大小為零的數(shù)組。for中的判定條件將失斊绿邸（p等于q + n彬呻，因?yàn)?code>n為0）。因此柄瑰，不執(zhí)行for循環(huán)體闸氮。

allocator::construct可以使用任何構(gòu)造函數(shù)

allocator分配的內(nèi)存是未構(gòu)造的。我們通過在該內(nèi)存中構(gòu)造對(duì)象來使用此內(nèi)存教沾。在新標(biāo)準(zhǔn)庫中蒲跨，construct成員接收一個(gè)指針和零個(gè)或多個(gè)附加參數(shù)，它在給定位置構(gòu)造一個(gè)元素授翻，附加參數(shù)用于初始化正在構(gòu)造的對(duì)象或悲。與make_shared的參數(shù)一樣，這些附加參數(shù)必須是正在構(gòu)造的類型的對(duì)象的有效初始值設(shè)定項(xiàng)堪唐。特別是巡语，如果對(duì)象是類類型，則這些參數(shù)必須與該類的構(gòu)造函數(shù)匹配：

Code:
    auto q = p;   // q will point to one past the last constructed element
    alloc.construct(q++);           // *q is the empty string
    alloc.construct(q++, 10, 'c');  // *q is cccccccccc
    alloc.construct(q++, "hi");     // *q is hi!

在早期版本的標(biāo)準(zhǔn)庫中淮菠，construct只接收兩個(gè)參數(shù)：構(gòu)造對(duì)象的指針和元素類型的值男公。因此，我們只能將一個(gè)元素復(fù)制到未構(gòu)造的空間中兜材，我們不能對(duì)元素類型使用任何其他構(gòu)造函數(shù)理澎。
使用尚未構(gòu)造對(duì)象的原始內(nèi)存是錯(cuò)誤的：

Code:
    cout << *p << endl;  // ok: uses the string output operator
    cout << *q << endl;  // disaster: q points to unconstructed memory!

注：我們必須construct對(duì)象以便使用allocate返回的內(nèi)存逞力。以其他方式使用未構(gòu)造的內(nèi)存是未定義的曙寡。
當(dāng)我們完成對(duì)象的使用時(shí)，我們必須銷毀我們構(gòu)造的元素寇荧，我們通過在每個(gè)構(gòu)造的元素上調(diào)用destroy來實(shí)現(xiàn)举庶。destroy函數(shù)接受一個(gè)指針并在指向的對(duì)象上運(yùn)行析構(gòu)函數(shù)：

Code:
    while (q != p)
        alloc.destroy(--q);    // free the strings we actually allocated

在循環(huán)開始時(shí)，q指向最后一個(gè)構(gòu)造元素的后一位置揩抡。我們?cè)谡{(diào)用destroy之前遞減q户侥。因此镀琉，在第一次調(diào)用調(diào)用destroy時(shí)，q指向最后構(gòu)造的元素蕊唐。我們?cè)谧詈笠淮蔚衐estroy第一個(gè)元素屋摔，之后q將等于p并且循環(huán)結(jié)束。
一旦元素被destroy替梨，我們可以重用內(nèi)存來保存其他字符串或?qū)?nèi)存返回給系統(tǒng)钓试。我們通過調(diào)用deallocate來釋放內(nèi)存：

    alloc.deallocate(p, n);

我們傳遞給deallocate的指針不能為null；它必須指向由allocate分配的內(nèi)存副瀑。而且弓熏，傳遞給deallocate的size參數(shù)必須與調(diào)用allocate中使用的大小相同才能獲得指針?biāo)赶虻膬?nèi)存。
關(guān)于allocator::construct的更多信息可參考std::allocator::construct糠睡。

參考文獻(xiàn)

[1] Lippman S B , Josée Lajoie, Moo B E . C++ Primer (5th Edition)[J]. 2013.