C++中智能指針的設計和使用

智能指針(smart pointer)是存儲指向動態分配（堆）對象指針的類，用於生存期控制，能夠確保自動正確的銷毀動態分配的對象，防止內存洩露。它的一種通用實現技術是使用引用計數(reference count)。智能指針類將一個計數器與類指向的對象相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。每次創建類的新對象時，初始化指針並將引用計數置為1；當對象作為另一對象的副本而創建時，拷貝構造函數拷貝指針並增加與之相應的引用計數；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左操作數所指對象的引用計數（如果引用計數為減至0，則刪除對象），並增加右操作數所指對象的引用計數；調用析構函數時，構造函數減少引用計數（如果引用計數減至0，則刪除基礎對象）。

智能指針就是模擬指針動作的類。所有的智能指針都會重載 -> 和 * 操作符。智能指針還有許多其他功能，比較有用的是自動銷毀。這主要是利用棧對象的有限作用域以及臨時對象（有限作用域實現）析構函數釋放內存。當然，智能指針還不止這些，還包括復制時可以修改源對象等。智能指針根據需求不同，設計也不同（寫時復制，賦值即釋放對象擁有權限、引用計數等，控制權轉移等）。auto_ptr 即是一種常見的智能指針。

智能指針通常用類模板實現：

1. template <class T>
2. class smartpointer
3. {
4. private:
5. T *_ptr;
6. public:
7. smartpointer(T *p) : _ptr(p) //構造函數
8. {
9. }
10. T& operator *() //重載*操作符
11. {
12. return *_ptr;
13. }
14. T* operator ->() //重載->操作符
15. {
16. return _ptr;
17. }
18. ~smartpointer() //析構函數
19. {
20. delete _ptr;
21. }
22. };

實現引用計數有兩種經典策略，在這裡將使用其中一種，這裡所用的方法中，需要定義一個單獨的具體類用以封裝引用計數和相關指針：

1. // 定義僅由HasPtr類使用的U_Ptr類，用於封裝使用計數和相關指針
2. // 這個類的所有成員都是private，我們不希望普通用戶使用U_Ptr類，所以它沒有任何public成員
3. // 將HasPtr類設置為友元，使其成員可以訪問U_Ptr的成員
4. class U_Ptr
5. {
6. friend class HasPtr;
7. int *ip;
8. size_t use;
9. U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
10. {
11. cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
12. }
13. ~U_Ptr()
14. {
15. delete ip;
16. cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
17. }
18. };

HasPtr類需要一個析構函數來刪除指針。但是，析構函數不能無條件的刪除指針。”

條件就是引用計數。如果該對象被兩個指針所指，那麼刪除其中一個指針，並不會調用該指針的析構函數，因為此時還有另外一個指針指向該對象。看來，智能指針主要是預防不當的析構行為，防止出現懸垂指針。

如上圖所示，HasPtr就是智能指針，U_Ptr為計數器；裡面有個變量use和指針ip，use記錄了*ip對象被多少個HasPtr對象所指。假設現在又兩個HasPtr對象p1、p2指向了U_Ptr，那麼現在我delete p1，use變量將自減1， U_Ptr不會析構，那麼U_Ptr指向的對象也不會析構，那麼p2仍然指向了原來的對象，而不會變成一個懸空指針。當delete p2的時候，use變量將自減1，為0。此時，U_Ptr對象進行析構，那麼U_Ptr指向的對象也進行析構，保證不會出現內存洩露。

包含指針的類需要特別注意復制控制，原因是復制指針時只復制指針中的地址，而不會復制指針指向的對象。