这篇是C++ 11系列文章的第五篇，我们这次谈谈C++ 11的神兵利器--智能指针。

1 概述

C/C++的程序员几乎不可能没掉进过指针（或者说动态内存）的坑，一方面，指针给C/C++程序员提供了直接访问内存的途径让他们“为所欲为”，另一方面，空悬指针、野指针、各种越界导致的致命错误又让他们欲哭无泪，基本上要吃很多亏，程序员才能形成一套自己的（或者大家公认的）编程规约，绕过常见的指针错误，稍不小心又在某些不常见的阴沟里翻船。对于初学者，指针是个难题，对于老司机，指针也要小心应付，特别是在多线程环境下，要想处理好指针的问题真的不是一件容易的事情。

C++中通过new创建一个对象，通过delete销毁一个对象；在合适的时机销毁一个对象是及其困难的（特别是在多线程环境下），有时候我们会忘记delete而造成内存泄漏，有时候我们又会在尚有使用者的情况下销毁一个对象，造成使用者对内存的非法访问；在多线程程序中，存在了太多的竞态条件，当你把一个原始指针暴露给别的线程，问题就来了，安全的销毁它并通知其它线程的使用者该指针失效是非常困难的，虽然极端情况的竞态条件发生概率不高，但对于长期运行的程序或是频繁操作的场景，如果处理不好，销毁了一个正在被其它线程使用的对象是必然要发生的（这种情况下最好的结果是程序崩溃）。

C++ 11提供的智能指针，使上面诸多问题迎刃而解，可以说智能指针是C++ 11提供的最为有用的特性之一，它让C++程序员可以像提供GC或ARC机制的语言（java等对象语义的语言都属此类）那样管理动态创建的对象，以对象语义（复制引用而非值）复制和传递对象，当且仅当没有任何使用者时（引用计数为零时），对象才会被销毁（并且立即销毁），大大简化了手动管理动态内存的困难。

2 shared_ptr

我们首先介绍智能指针中最常用的一类shared_ptr，它是类模板，在memory头文件中提供。与很多C++ 11特性一样，它先在boost库和tr1中提供。声明shared_ptr必须指明它包含的裸指针的类型，和其它类模板一样，在尖括号中给出类型，比如：

智能指针未被初始化之前，它只包含一个空指针(nullptr)，可以通过bool运算符判断一个智能指针是否为空，如果为空，bool运算符返回false，可以这样写，把智能指针直接写在if的条件表达式里：

智能指针的初始化主要有两种方式：

1.把原生指针作为参数传给智能指针的构造函数，也可以通过其他shared_ptr拷贝构造，比如：

2.使用std::make_shared函数模板，这是最为安全的方式，下面的写法和上面是等效的：

make_shared定义于memory头文件，它会用接受的参数调用相应的构造函数创建新的对象。

shared_ptr可以像普通指针一样使用，解引用可以返回它所包含的对象，也可以通过->访问它所包含的对象的成员函数或变量。

shared_ptr通过引用计数的方式管理它所包裹的动态对象，当它被复制的时候（拷贝构造或拷贝赋值），引用计数会加1，当它析构、reset()或被其他智能指针赋值时，引用计数会减1，当引用计数为0时，智能指针会自动释放它所管理的对象。它的工作原理可以参考本系列的第3篇里一个简单的模拟实现；

由此可见，只要一个智能指针对象不为空，你就不用担心它所包裹的对象在别处被释放（因为引用计数至少为1），可以放心的使用；另外，程序员也再也不用纠结在哪里释放一个动态资源（特别是这个资源被多处使用时），智能指针会在“最后的时刻”自动释放它；包裹同一个动态对象的智能指针都是平权的，最初的智能指针也没有更多的特权，谁最后释放对它的持有，谁就负责销毁它，这就是shared_ptr的名字的来历。

我们举个例子，看看智能指针使用时，引用计数的变化情况，引用计数可以通过shared_ptr的成员函数use_count读取，代码如下：

运行输出为：

第一行，只有初始化的智能指针一个引用；

第二行，lambda对象对智能指针进行了值捕获，引用计数加1；

第三行，lambda对象销毁，引用计数减一，同时refFunction形参类型是引用类型，不会发生拷贝，所以引用计数还是1；

第四行，valFunction形参类型是值类型，智能指针发生了复制，引用计数加1；

当倒数第二个大括号结束时，strPtr对象析构，析构函数把引用计数减一，同时发现引用计数已经为0，因此销毁string对象。

3 uniq_ptr

顾名思义，uniq_ptr持有对对象的独有权——两个unique_ptr不能指向一个对象，不能进行复制操作只能进行移动操作。它也定义于memory头文件，如果某个动态对象的从属非常明确，可以用uniq_ptr代替shared_ptr(很显然，它比shared_ptr轻量，也不会被意外共享)。uniq_ptr析构、reset()或者被赋值时，它当前持有的对象就会被销毁。比如：

即使动态对象的作用域非常明确，可以直接new和delete，使用智能指针也是有额外好处的，比如：

这两段代码原理上是等效的，但是，如果第一段在new和delete之间的程序抛出了异常，执行路径发生变化，delete语句没有机会执行，就会发生内存泄漏；而第二段程序就没有这种危险，只要脱离tmp的作用域，uniq_ptr的析构函数就会处理好内存的释放。显然使用智能指针达到了更安全的目的。这种通过对象的生命周期管理资源的方式被称为RAII（Resource Acquisition Is Initialization），是C++中非常好的编程思想，智能指针本质上都是RAII思想的体现，RAII以后我们还会遇到。

4 定制删除器

智能指针默认的资源销毁操作是调用delete操作符，我们也可以定制自己的deleter，智能指针创建时作为最后一个参数传入，智能指针将在销毁资源是调用我们定制的deleter。deleter是一个可调用对象（参见第2篇），传入的参数是该智能指针包裹的动态资源。定制deleter一般用于如下的方面：

1. 动态内存是数组资源时，应该使用delete []销毁，这时使用delete操作符会出问题，而shared_ptr没有针对数组的特化版本（unique_ptr有），所以使用shared_ptr管理数组资源时，要自定义deleter，比如：

（最新公布的C++17标准，shared_ptr也可以管理数组资源了）

2.上一条推而广之，只要智能指针管理的资源不是new创建的，我们就需要指定一个deleter。比如一个文件指针，通过fopen创建，通过fclose关闭，如果用智能指针管理就需要定制deleter，如下：

3.如果想在释放动态资源时，再做一些额外的操作时，也需要通过自定义deleter实现，这里不再举例了。

5 几个要注意的问题

1. 永远不要把智能指针包裹的资源直接暴露给第三方使用，而应该通过智能指针传递；
   

2. 智能指针的复制效率肯定不如裸指针，但也相当不低（不涉及大量的内存操作），如果非常注重效率，在线程内部可以用智能指针的“常引用”调用函数（不发生拷贝），跨线程的地方，复制一份传给其他线程使用（不同的线程访问不同的shared_ptr对象（它包含的资源的线程安全性是另外的问题））。

3. lambda表达式内部需要捕获智能指针时，用值捕获；unique_ptr无法被lambda表达式值捕获，可以用std::bind，move到std::bind生成的可调用对象里面；

4. 如果一个类决定采用智能指针管理，请注意不要对外暴露该类的this指针（参见第1条），特别是使用lambda表达式时要注意this指针的捕获问题，相关的解决方案下篇介绍；由此可知，有些智能指针管理的类要有特殊的写法（需要传递this指针的地方），所以，所有要实例化这样的类的地方，都要用智能指针管理，混用是危险的；

5. 智能指针的类型转换与裸指针类似，对应static_cast和dynamic_cast，标准库分别提供static_pointer_cast和dynamic_pointer_cast两个函数模板执行智能指针间的类型转换；容易明白，智能指针可以像原生指针那样支持虚函数的多态，可以放心使用；

6. auto_ptr已经被unique_ptr代替，已废弃，本文也不再介绍；

7. 智能指针需要注意的坑最著名的就是循环引用，我们在下一篇介绍；

8. 能用unique_ptr就不用shared_ptr;

9. 尽量用std::make_shared而不用裸指针创建智能指针，前者更高效和安全；