浅析Boost智能指针:scoped_ptr shared_ptr weak_ptr

一. scoped_ptr
boost::scoped_ptr和std::auto_ptr非常类似，是一个简单的智能指针，它能够保证在离开作用域后对象被自动释放。下列代码演示了该指针的基本应用：


代码如下:

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/scoped_ptr.hpp>

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};

void test()
{
    boost::scoped_ptr<implementation> impl(new implementation());
    impl->do_something();
}

void main()
{
    std::cout<<"Test Begin ... \n";
    test();
    std::cout<<"Test End.\n";
}

该代码的输出结果是：


代码如下:

Test Begin ...
did something
destroying implementation
Test End.

可以看到：当implementation类离其开impl作用域的时候，会被自动删除，这样就会避免由于忘记手动调用delete而造成内存泄漏了。

boost::scoped_ptr特点：
boost::scoped_ptr的实现和std::auto_ptr非常类似，都是利用了一个栈上的对象去管理一个堆上的对象，从而使得堆上的对象随着栈上的对象销毁时自动删除。不同的是，boost::scoped_ptr有着更严格的使用限制——不能拷贝。这就意味着：boost::scoped_ptr指针是不能转换其所有权的。

1.不能转换所有权
boost::scoped_ptr所管理的对象生命周期仅仅局限于一个区间（该指针所在的"{}"之间），无法传到区间之外，这就意味着boost::scoped_ptr对象是不能作为函数的返回值的（std::auto_ptr可以）。

2.不能共享所有权
这点和std::auto_ptr类似。这个特点一方面使得该指针简单易用。另一方面也造成了功能的薄弱——不能用于stl的容器中。

3.不能用于管理数组对象
由于boost::scoped_ptr是通过delete来删除所管理对象的，而数组对象必须通过deletep[]来删除，因此boost::scoped_ptr是不能管理数组对象的，如果要管理数组对象需要使用boost::scoped_array类。

boost::scoped_ptr的常用操作：
可以简化为如下形式：


代码如下:

namespace boost {

template<typename T> class scoped_ptr : noncopyable {
    public:
        explicit scoped_ptr(T* p = 0);
        ~scoped_ptr();

void reset(T* p = 0);

T& operator*() const;
        T* operator->() const;
        T* get() const;

void swap(scoped_ptr& b);
    };

template<typename T>
    void swap(scoped_ptr<T> & a, scoped_ptr<T> & b);
}

它的常用操作如下：

下列测试代码演示了这些功能函数的基本使用方法。


代码如下:

#include <string>
#include <iostream>

#include <boost/scoped_ptr.hpp>
#include <boost/scoped_array.hpp>

#include <boost/config.hpp>
#include <boost/detail/lightweight_test.hpp>

void test()
{
    // test scoped_ptr with a built-in type
    long * lp = new long;
    boost::scoped_ptr<long> sp ( lp );
    BOOST_TEST( sp.get() == lp );
    BOOST_TEST( lp == sp.get() );
    BOOST_TEST( &*sp == lp );

*sp = 1234568901L;
    BOOST_TEST( *sp == 1234568901L );
    BOOST_TEST( *lp == 1234568901L );

long * lp2 = new long;
    boost::scoped_ptr<long> sp2 ( lp2 );

sp.swap(sp2);
    BOOST_TEST( sp.get() == lp2 );
    BOOST_TEST( sp2.get() == lp );

sp.reset(NULL);
    BOOST_TEST( sp.get() == NULL );

}

void main()
{
    test();
}

boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的选取：
boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的功能和操作都非常类似，如何在他们之间选取取决于是否需要转移所管理的对象的所有权（如是否需要作为函数的返回值）。如果没有这个需要的话，大可以使用boost::scoped_ptr，让编译器来进行更严格的检查，来发现一些不正确的赋值操作。

二. shared_ptr
boost::scoped_ptr虽然简单易用，但它不能共享所有权的特性却大大限制了其使用范围，而boost::shared_ptr可以解决这一局限。顾名思义，boost::shared_ptr是可以共享所有权的智能指针，首先让我们通过一个例子看看它的基本用法：


代码如下:

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

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};

void test()
{
    boost::shared_ptr<implementation> sp1(new implementation());
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp1.use_count()<<" references\n";

boost::shared_ptr<implementation> sp2 = sp1;
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";

sp1.reset();
    std::cout<<"After Reset sp1. The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";

sp2.reset();
    std::cout<<"After Reset sp2.\n";
}

void main()
{
    test();
}

该程序的输出结果如下：


代码如下:

The Sample now has 1 references
The Sample now has 2 references
After Reset sp1. The Sample now has 1 references
destroying implementation
After Reset sp2.

可以看到，boost::shared_ptr指针sp1和sp2同时拥有了implementation对象的访问权限，且当sp1和sp2都释放对该对象的所有权时，其所管理的的对象的内存才被自动释放。在共享对象的访问权限同时，也实现了其内存的自动管理。

boost::shared_ptr的内存管理机制：
boost::shared_ptr的管理机制其实并不复杂，就是对所管理的对象进行了引用计数，当新增一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数加一；减少一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数减一，如果该对象的引用计数为0的时候，说明没有任何指针对其管理，才调用delete释放其所占的内存。

上面的那个例子可以的图示如下：

1.sp1对implementation对象进行管理，其引用计数为1

2.增加sp2对implementation对象进行管理，其引用计数增加为2

3.sp1释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为1

4.sp2释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为0，该对象被自动删除

boost::shared_ptr的特点：
和前面介绍的boost::scoped_ptr相比，boost::shared_ptr可以共享对象的所有权，因此其使用范围基本上没有什么限制（还是有一些需要遵循的使用规则，下文中介绍），自然也可以使用在stl的容器中。另外它还是线程安全的，这点在多线程程序中也非常重要。

boost::shared_ptr的使用规则：
boost::shared_ptr并不是绝对安全，下面几条规则能使我们更加安全的使用boost::shared_ptr：

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。

如下列代码则可能导致内存泄漏：


代码如下:

void test()
{
    foo(boost::shared_ptr<implementation>(new    implementation()),g());
}
正确的用法为：
void test()
{
    boost::shared_ptr<implementation> sp    (new implementation());
    foo(sp,g());
}

三.  weak_ptr

循环引用：
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。一个简单的例子如下：


代码如下:

#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\n"; }

public:
    children_ptr children;
};

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

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...\n";
    test();
    std::cout<<"end test.\n";
}

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。

强引用和弱引用
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。


代码如下:

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。

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：


代码如下:

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

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。