避免 memory leak：C++11 Smart Pointer（下）

• How to: Create and Use unique_ptr Instances
• How to: Create and Use shared_ptr Instances
• How to: Create and Use weak_ptr Instances

首先，是使用上最單純、限制比較多的 unique_ptr。他是在 C 11 裡，用來取代之前的 auto_ptr 的（請參考前一篇的註 1）。他的基本設計概念，就是一塊記憶體空間只會被一個 unique_ptr 物件擁有，而不能有多個 unique_ptr 物件共用一塊記憶體空間；而當 unique_ptr 物件消失時，他所擁有的記憶體空間也就會自動被釋放掉。

像以前面 MemoryAlloc() 的例子來說，在函式結束後，所配置出來的記憶體空間會因為沒有 delete 掉，而持續佔在那裏；但是如果改用 unique_ptr 來做的話，就會變成：

void MemoryAlloc()
{
  unique_ptr<int> a( new int(0) );
}

如果這樣寫的話，在 MemoryAlloc() 結束的時候，a 就會消失、而所配置出來的記憶體空間也會跟著被釋放，也因此就不會有 memory leak 的問題。

而由於 unique_ptr 需要確保一份資源只被一個 unique_ptr 擁有，所以他有不可複製的特性，所以像下面的程式碼，是會無法編譯的～

unique_ptr<int> a( new int(0) );
unique_ptr<int> b = a;  // compile error!

不過，如果有需要的話，也可以透過 STL 的 std::move() 這個函式，把資源的所有權轉移給別的 unique_ptr 物件，其用法如下：

unique_ptr<int> a( new int(0) );
unique_ptr<int> b = move( a );

要注意的是，在轉移所有權後，本來的 unique_ptr 物件（這邊是 a）就不再有這份資源的所有權、也無法再透過它來存取這份資源了！

而如果要把在函式內配置的記憶體空間傳出來的話，也是可以的，只要寫成下面這樣就可以了：

unique_ptr<int> MemoryAlloc()
{
  unique_ptr<int> a( new int(0) );
 
  return a;
}

這樣的寫法，在把 a 回傳的時候，會使用 move operation 來把內部配置的記憶體空間的所有權轉換到外部來。

和 unique_ptr 的獨佔性質不同，shared_ptr 的設計目的，就是要讓多個 shared_ptr 可以共用一份記憶體空間，並且在沒有要繼續使用的時候，可以自動把所用的資源釋放掉。而由於它的資源是可以共用的，所以也就可以透過 operator= 等方法，來分享 shared_ptr 所使用的資源。

下面是一個例子：

{
  shared_ptr<int> a;  // a is empty
  {
    shared_ptr<int> b( new int( 10 ) );  // allocate resource
    a = b;  // reference counter: 2
    {
      shared_ptr<int> c = a;  // reference counter: 3
      *c = 100;
    }  // c dead, reference counter: 2
  } // b dead, reference counter: 1
  cout << *a << endl;
}  // release resource

在這個例子裡，a 被宣告出來的時候，實際上是一個空的指標，並沒有去配置實際的記憶體空間。等到建立 b 的時候，才去配置了一塊 int 大小的記憶體空間，並在裡面寫入 10 這個數值。

而 a = b; 這個指令，則是讓 a 去共用 b 所配置出來的記憶體空間；這時候由於 a 和 b 都是使用同一塊記憶體空間，所以這塊記憶體空間的 reference counter 就是 2、代表他被兩個 shared_ptr 共用。

接下來，則是再建立另一個 shared_ptr c，也來共用這塊記憶體空間，這時候 reference counter 也就變成 3 了。而由於 a、b、c 都是使用同一塊記憶體空間，所以接下來透過 *c = 100; 來做值的修改的時候，其實去修改的就是共用的記憶體空間，所以這時候 *a 或 *b 的值也都會和 c 一樣變成 100。

再來，當 c 和 b 的生命週期依序結束的時候，reference counter 的值也會降成 2、1，代表有使用到這塊記憶體空間的 shared_ptr 越來越少。在最後透過 iostream 輸出 *a 的時候，也就只剩下 a 還有在使用這塊記憶體空間了；但是，也由於 a 還在繼續使用這塊記憶體空間，所以記憶體空間雖然是在建立 b 的時候所配置的、但是並不會隨著 b 的消失而被釋放掉，而是要等到 a 也因為生命週期到了、讓 reference counter 降到 0，資源才會真正被釋放掉。

而他主要的用途，其中一個應該還是算用在不同 class 間做資料的共用、交換。例如下面是一個例子：

class DataGenerator
{
public:
  DataGenerator()
  {
    a = shared_ptr<int>( new int(0) );
  }
 
  shared_ptr<int> GetData()
  {
    return a;
  }
 
private:
  shared_ptr<int> a;
};

在 DataGenerator 這個類別裡，有一個要和外部做資料共用的變數 a、型別是 shared_ptr<int>。

DataGenerator DataGen;
shared_ptr<int> A = DataGen.GetData();

而當外部透過 GetData() 取得這個資料的時候，由於也是 shared_ptr 的形式，所以會做自動資源管理、不需要像傳統的 pointer 一樣刻意透過 delete 去釋放他的資源，也不用再去擔心要在哪裡 delete、或是因為沒有 delete 而產生 memory leak 了～

最後，微軟是建議在建立第一個 shared_ptr 的時候，使用 make_shared() 這個 template 函式來建立，在效率上會比較好；下面是一個使用的例子：

shared_ptr<int> b = make_shared<int>( 10 );

C 11 的最後一個 smart pointer，是 weak_ptr，他基本上是一個需要搭配 shared_ptr 來一起使用的特例；和 shared_ptr 不同的地方在於，除了他不會增加內部的 reference counter 的計數（註 1）外，它基本上也不能用來做資料的存取，主要只能用來監控 shared_ptr 目前的狀況。

下面是一個簡單的例子：

weak_ptr<int> w1;
{
  shared_ptr<int> a( new int(10) );
  w1 = a;
}

首先，先宣告一個空的 weak_ptr 的物件 w1，接著在一個比較小的 scope 裡面，建立一個 shared_ptr a、並配置所需要的記憶體空間；然後，直接以 w1 = a; 這樣的程式碼，讓 w1 去使用 a 的資源。

但是接下來當 a 消失之後，雖然 w1 還在使用 a 所配置的資源，但是由於 w1 只是 weak_ptr，所以並不會要求系統把資源留下來使用，而是會隨著 a 的消失、把相關的資源釋放掉。

而由於 weak_ptr 本身不能用來做資料的存取，所以如果要使用的話，實際上是需要先將 weak_ptr 轉換回 shared_ptr 的。轉換的方法也很簡單，就是使用 weak_ptr 提供的 lock() 這個函式，來產生一個有擁有權的 shared_ptr。使用範例基本上如下：

shared_ptr<int> b = w1.lock();

而由於 weak_ptr 所使用的資源不一定存在（其實 unique_ptr 和 shared_ptr 也一樣），所以在轉換後，基本上是建議要加上檢查的程式、確認他的狀態：

shared_ptr<int> b = w1.lock();
if( b != nullptr )
  cout << *b << endl;

1. 在 Microsoft Visual C 10 的 STL 實作裡，shared_ptr 和 weak_ptr 應該是有各自的計數器，在偵錯時如果去監看的話，可以看到「strong ref」和「weak ref」的數值。

2. unique_ptr 和 shared_ptr 都可以透過和 NULL 或 nullptr 做比較，來確認指標是否有效。

3. 如果要強制釋放 smart pointer 的資源的話，可以呼叫他的 reset() 函式。