从零开始学C++之boost库（一）：详解 boost 库智能指针（scoped_ptr<T> 、shared_ptr<T> 、weak_ptr<T> 源码分析）

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一、boost 智能指针

智能指针是利用RAII（Resource Acquisition Is Initialization：资源获取即初始化）来管理资源。关于RAII的讨论可以参考前面的文

章。在使用boost库之前应该先下载后放在某个路径，并在VS 包含目录中添加。下面是boost 库里面的智能指针：

（一）、scoped_ptr<T>

先来看例程：

C++ Code

#include<boost/scoped_ptr.hpp>
#include<iostream>
usingnamespacestd;

classX
{
public:
X()
{
cout<<"X..."<<endl;
}
~X()
{
cout<<"~X..."<<endl;
}
};

intmain(void)
{
cout<<"Enteringmain..."<<endl;
{
boost::scoped_ptr<X>pp(newX);

//boost::scoped_ptr<X>p2(pp);//Error:所有权不能转移
}
cout<<"Exitingmain..."<<endl;

return0;
}

来稍微看一下scoped_ptr 的简单定义：

C++ Code

namespaceboost
{

template<typenameT>classscoped_ptr:noncopyable
{
private:

T*px;

scoped_ptr(scoped_ptrconst&);
scoped_ptr&operator=(scoped_ptrconst&);

typedefscoped_ptr<T>this_type;

voidoperator==(scoped_ptrconst&)const;
voidoperator!=(scoped_ptrconst&)const;
public:
explicitscoped_ptr(T*p=0);
~scoped_ptr();

explicitscoped_ptr(std::auto_ptr<T>p):px(p.release());
voidreset(T*p=0);

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

voidswap(scoped_ptr&b);
};

template<typenameT>
voidswap(scoped_ptr<T>&a,scoped_ptr<T>&b);
}

与auto_ptr类似，内部也有一个T* px; 成员，智能指针对象pp 生存期到了，调用析构函数，在析构函数内会delete px; 如下面所说：

scoped_ptr mimics a built-in pointer except that it guarantees deletionof the object pointed to, either on destruction of the scoped_ptr or viaan

explicit reset(). scoped_ptr is a simple solution for simple needs;use shared_ptr or std::auto_ptr if your needs are more complex.

从上面的话可以得知当调用reset() 函数时也能够释放堆对象，如何实现的呢？

C++ Code

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

voidreset(T*p=0)//neverthrows
{
BOOST_ASSERT(p==0||p!=px);//catchself-reseterrors
this_type(p).swap(*this);
}
voidswap(scoped_ptr&b)//neverthrows
{
T*tmp=b.px;
b.px=px;
px=tmp;
}

typedef scoped_ptr<T> this_type; 当调用pp.reset()，reset 函数构造一个临时对象，它的成员px=0，在swap 函数中调换 pp.px 与

(this_type)(p).px，即现在pp.px = 0; //解绑

临时对象接管了裸指针（即所有权可以交换），reset 函数返回，栈上的临时对象析构，调用析构函数，进而delete px;

另外拷贝构造函数和operator= 都声明为私有，故所有权不能转移，且因为容器的push_back 函数需要调用拷贝构造函数，故也不能

将scoped_ptr 放进vector，这点与auto_ptr 相同（不能共享所有权）。此外，还可以使用 auto_ptr 对象构造一个scoped_ptr 对象：

scoped_ptr( std::auto_ptr<T> p ): px( p.release() );

由于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<T>

An enhanced relative of scoped_ptr with reference counted copy semantics.The object pointed to is deleted when the last

shared_ptr pointing to it is destroyed or reset.

先来看例程：

C++ Code

#include<boost/shared_ptr.hpp>
#include<iostream>
usingnamespacestd;

classX
{
public:
X()
{
cout<<"X..."<<endl;
}
~X()
{
cout<<"~X..."<<endl;
}
};

intmain(void)
{
cout<<"Enteringmain..."<<endl;
boost::shared_ptr<X>p1(newX);
cout<<p1.use_count()<<endl;
boost::shared_ptr<X>p2=p1;
//boost::shared_ptr<X>p3;
//p3=p1;

cout<<p2.use_count()<<endl;
p1.reset();
cout<<p2.use_count()<<endl;
p2.reset();
cout<<"Exitingmain..."<<endl;
return0;
}

图示上述程序的过程也就是：

再深入一点，看源码，shared_ptr 的实现比 scoped_ptr 要复杂许多，涉及到多个类，下面就不贴完整源码，看下面的类图：

执行boost::shared_ptr<X>p1(newX); 这一行之后：

而执行 p1.use_count(); 先是pn.use_count(); 接着pi_ != 0? pi_->use_count(): 0; return use_count_; 即返回1.

接着执行boost::shared_ptr<X>p2=p1;

本想跟踪shared_ptr 的拷贝构造函数，在当行设置断点后F11直接跳过了，说明是shared_ptr类没有实现拷贝构造函数，使用的是编译器默认的拷

贝构造函数，那如何跟踪呢？如果你的C++基础比较好，可以想到拷贝构造函数跟构造函数一样，如果有对象成员是需要先构造对象成员的（这一点

也可以从调用堆栈上看出），故可以在shared_count 类的拷贝构造函数设置断点，然后就可以跟踪进去，如下的代码：

C++ Code

1 2 3 4 5 6 7 8

// shared_count

shared_count(shared_countconst&r):pi_(r.pi_)//nothrow
{
if(pi_!=0)pi_->add_ref_copy();
}

// sp_counted_base
voidadd_ref_copy()
{
BOOST_INTERLOCKED_INCREMENT(&use_count_);
}

故p2.pn.pi_ 也指向唯一的一个 sp_counted_impl_p 对象，且use_count_ 增1.

再者，shared_ptr 类的默认拷贝构造函数是浅拷贝，故现在p2.px 也指向 X.

由于p2 和 p1 共享一个sp_counted_impl_p 对象，所以此时无论打印p2.use_count(); 还是 p1.use_count(); 都是2。

接着执行p1.reset();

C++ Code

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// shared_ptr

voidreset()//neverthrowsin1.30+
{
this_type().swap(*this);
}
voidswap(shared_ptr<T>&other)//neverthrows
{
std::swap(px,other.px);
pn.swap(other.pn);
}

this_type() 构造一个临时对象，px = 0, pn.pi_ = 0; 然后swap交换p1 与临时对象的成员，即现在p1.px = 0; p1.pn.p1_ = 0; 如上图。

reset 函数返回，临时对象需要析构，但跟踪时却发现直接返回了，原因跟上面的一样，因为shared_ptr 没有实现析构函数，调用的是默认的析构函

数，与上面拷贝函数同样的道理，可以在shared_count 类析构函数设置断点，因为pn 是对象成员，故析构函数也会被调用。如下代码：

C++ Code

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//shared_count

~shared_count()//nothrow
{
if(pi_!=0)pi_->release();
}

// sp_counted_base
voidrelease()//nothrow
{
if(BOOST_INTERLOCKED_DECREMENT(&use_count_)==0)
{
dispose();
weak_release();
}
}

现在use_count_ 减为1，但还不为0，故dispose(); 和weak_release(); 两个函数没有被调用。当然此时打印 p2.use_count() 就为1 了。

最后 p2.reset(); 跟p1.reset(); 同样的流程，只不过现在执行到release 时，use_count_ 减1 为0；需要继续执行dispose(); 和

weak_release(); 如下代码：

C++ Code

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//sp_counted_impl_p
virtualvoiddispose()//nothrow
{
boost::checked_delete(px_);
}
//sp_counted_base
voidweak_release()//nothrow
{
if(BOOST_INTERLOCKED_DECREMENT(&weak_count_)==0)
{
destroy();
}
}

virtualvoiddestroy()//nothrow
{
deletethis;
}

在check_delete 中会 delete px_; 也就是析构 X。接着因为weak_count_ 减1 为0，故执行destroy(); 函数里面delete this; 即析构自身

（sp_counted_impl_p 对象是在堆上分配的）。

说到这里，我们也可以明白，即使最后没有调用p2.reset(); 当p2 栈上对象生存期到，需要调用shared_ptr 类析构函数，进而调用shared_count 类析

构函数，所以执行的结果也是跟reset() 一样的，只不过少了临时对象this_type()的构造。

总结一下：

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：

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
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）。
不要构造一个临时的shared_ptr作为函数的参数。

详见http://www.boost.org/doc/libs/1_52_0/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm

如下列bad 函数内的代码则可能导致内存泄漏：

C++ Code

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voidf(shared_ptr<int>,int);
intg();

voidok()
{
shared_ptr<int>p(newint(2));
f(p,g());
}

voidbad()
{
f(shared_ptr<int>(newint(2)),g());
}

如bad 函数内，假设先构造了堆对象，接着执行g(), 在g 函数内抛出了异常，那么由于裸指针还没有被智能指针接管，就会出现内存泄漏。

（三）、weak_ptr<T>

如上总结shared_ptr<T> 时说到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。

C++ Code

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#include<boost/shared_ptr.hpp>
#include<iostream>
usingnamespacestd;

classParent;
classChild;
typedefboost::shared_ptr<Parent>parent_ptr;
typedefboost::shared_ptr<Child>child_ptr;

classChild
{
public:
Child()
{
cout<<"Child..."<<endl;
}
~Child()
{
cout<<"~Child..."<<endl;
}
parent_ptrparent_;
};

classParent
{
public:
Parent()
{
cout<<"Parent..."<<endl;
}
~Parent()
{
cout<<"~Parent..."<<endl;
}
child_ptrchild_;
};

intmain(void)
{
parent_ptrparent(newParent);
child_ptrchild(newChild);
parent->child_=child;
child->parent_=parent;

return0;
}

如上述程序的例子，运行程序可以发现Child 和 Parent 构造函数各被调用一次，但析构函数都没有被调用。由于Parent和Child对象互相引用，

它们的引用计数最后都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了内存泄漏。

其中一种解决循环引用问题的办法是手动打破循环引用，如在return 0; 之前加上一句parent->child_.reset(); 此时

当栈上智能指针对象child 析构，Child 对象引用计数为0，析构Chlid 对象，它的成员parent_ 被析构，则Parent 对象引用计数

减为1，故当栈上智能指针对象parent 析构时，Parent 对象引用计数为0，被析构。

但手动释放不仅麻烦而且容易出错，这里主要介绍一下弱引用智能指针 weak_ptr<T> 的用法，下面是简单的定义：

C++ Code

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namespaceboost
{

template<typenameT>classweak_ptr
{
public:
template<typenameY>
weak_ptr(constshared_ptr<Y>&r);

weak_ptr(constweak_ptr&r);

template<classY>
weak_ptr&operator=(weak_ptr<Y>&&r);

template<classY>
weak_ptr&operator=(shared_ptr<Y>const&r);

~weak_ptr();

boolexpired()const;
shared_ptr<T>lock()const;
};
}

上面出现了 && 的用法，在这里并不是逻辑与的意思，而是C++ 11中的新语法，如下解释：

&&is new in C++11, and it signifies that the function accepts anRValue-Reference-- that is, a reference to an argument that is about

to be destroyed. //也就是说函数接受左值引用，也就是引用着的变量可以被修改

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智能指针。

强引用与弱引用：

强引用，只要有一个引用存在，对象就不能释放

弱引用，并不增加对象的引用计数（实际上是不增加use_count_，会增加weak_count_）；但它能知道对象是否存在

通过weak_ptr访问对象的成员的时候，要提升为shared_ptr

如果存在，提升为shared_ptr(强引用）成功
如果不存在，提升失败

对于上述的例子，只需要将Parent 类里面的成员定义改为如下，即可解决循环引用问题：

C++ Code

1 2 3 4 5

classParent
{
public:
boost::weak_ptr<parent>child_;
};

因为此例子涉及到循环引用，而且是类成员引用着另一个类，涉及到两种智能指针，跟踪起来难度很大，我也没什么心情像分析

shared_ptr 一样画多个图来解释流程，这个例子需要解释的代码远远比shared_ptr 多，这里只是解释怎样使用，有兴趣的朋友自

己去分析一下。

下面再举个例子说明lock() 和 expired() 函数的用法：

C++ Code

#include<boost/shared_ptr.hpp>
#include<boost/weak_ptr.hpp>
#include<boost/scoped_array.hpp>
#include<boost/scoped_ptr.hpp>
#include<iostream>
usingnamespacestd;

classX
{
public:
X()
{
cout<<"X..."<<endl;
}
~X()
{
cout<<"~X..."<<endl;
}

voidFun()
{
cout<<"Fun..."<<endl;
}
};
intmain(void)
{
boost::weak_ptr<X>p;
boost::shared_ptr<X>p3;
{
boost::shared_ptr<X>p2(newX);
cout<<p2.use_count()<<endl;
p=p2;
cout<<p2.use_count()<<endl;

/*boost::shared_ptr<X>*/
p3=p.lock();
cout<<p3.use_count()<<endl;
if(!p3)
cout<<"objectisdestroyed"<<endl;
else
p3->Fun();
}
/*boost::shared_ptr<X>p4=p.lock();
if(!p4)
cout<<"objectisdestroyed"<<endl;
else
p4->Fun();*/

if(p.expired())
cout<<"objectisdestroyed"<<endl;
else
cout<<"objectisalived"<<endl;

return0;
}