3.3 shared_ptr

shared_ptr是一个最像指针的“智能指针”，它是boost.smart_ptr库中最有价值、最重要的组成部分，Boost库的许多组件（甚至还包括一些其他领域的智能指针）都使用了shared_ptr，所以它被毫无悬念地收入C++11标准。

shared_ptr与scoped_ptr一样包装了new操作符在堆上分配的动态对象，但它实现的是引用计数型的智能指针，可以被自由地拷贝和赋值，可以在任意的地方共享它，当没有代码使用它时（引用计数为0），才删除被包装的动态分配的对象。

shared_ptr也可以安全地放到标准容器中，这是在STL容器中存储指针的最标准的解法。

3.3.1 类摘要

shared_ptr要比同为智能指针的scoped_ptr复杂许多，它的类摘要如下：

3.3.2 操作函数

shared_ptr与scoped_ptr同样是用于管理new动态分配对象的智能指针，因此其功能有很多相似之处：它们都重载了“*”“-＞”操作符以模仿原始指针的行为，提供显式bool值转换以判断指针的有效性，get（）函数可以得到原始指针，并且没有提供指针算术操作，也不能管理new[]产生的动态数组指针。例如：

但shared_ptr的名字表明了它与scoped_ptr的主要不同之处：它是可以被安全共享的。shared_ptr是一个“全功能”的类，有着正常的拷贝、赋值语义，也可以进行shared_ptr间的比较，是“最智能”的智能指针。

shared_ptr有多种形式的构造函数，可以应用于各种可能的情形，示例如下。

■ 无参的shared_ptr（）：创建一个持有空指针的shared_ptr。

■ shared_ptr（Y*p）：获得指向类型T的指针p的管理权，同时将引用计数置为1，这个构造函数要求Y类型必须能够转换为T类型。

■ shared_ptr（shared_ptr const&r）：从另外一个shared_ptr获得指针的管理权，同时引用计数加1，结果是两个shared_ptr共享一个指针的管理权。

■ operator=：赋值操作符，可以从另外一个shared_ptr获得指针的管理权，其行为同拷贝构造函数。

■ shared_ptr（Y*p，D d）：其行为类似shared_ptr（Y*p），但它使用参数d指定了析构时的定制删除器，而不是简单的delete，这部分将在3.3.8节详述。

■ aliasing：别名构造函数是不增加引用计数的特殊用法，这部分会在3.3.9节详述。

shared_ptr的reset（）函数的行为与scoped_ptr不尽相同，它的作用是将引用计数减1，停止对指针的共享，除非引用计数为0，否则不会发生删除操作。带参数的reset（）函数类似相同形式的构造函数，在原指针引用计数减1的同时改为管理另一个指针。

shared_ptr有两个专门的函数来检查引用计数：unique（）在shared_ptr是指针的唯一所有者时返回true（这时shared_ptr的行为类似scoped_ptr或unique_ptr）；use_count（）返回当前指针的引用计数。要小心，use_count（）应该仅仅用于测试或调试，它不提供高效率的操作，而且有的时候它是不可用的（极少数情形）。而unique（）是可靠的，任何时候它都可用，而且它比use_count（）==1的速度更快。

shared_ptr还支持比较运算，可以测试两个shared_ptr相等与否，比较基于内部保存的指针，相当于a.get（）==b.get（）。shared_ptr还可以使用operator＜比较大小，但不提供除operator＜以外的比较操作符，这使得shared_ptr可以被用于标准关联容器（set和map）：

此外，shared_ptr还支持流输出操作符operator＜＜，输出内部的指针值，方便调试。

3.3.3 用法

shared_ptr的“高智能”使其行为最接近原始指针，因此它比scoped_ptr的应用范围更广。shared_ptr几乎可以在任何new出现的地方接收new的动态分配结果，然后被任意使用，从而完全消灭delete的使用和内存泄漏，而它的用法与scoped_ptr一样简单。

shared_ptr也提供基本的线程安全保证，一个shared_ptr可以被多个线程安全读取，但其他的访问形式的结果是未定义的。

第一个例子示范shared_ptr基本用法：

第二个例子示范了shared_ptr较复杂的用法：

这段代码定义了一个类和一个函数，这两者都接收shared_ptr对象作为参数，需要特别注意的是我们没有使用引用的方式传递参数，而是直接拷贝，就像是在使用一个原始指针——shared_ptr支持这样的用法。

在声明了shared_ptr和两个shared类实例后，指针被它们共享，因此引用计数为3。print_func（）函数内部拷贝了一个shared_ptr对象，因此引用计数再加1，但当退出函数时，拷贝自动析构，引用计数又恢复为3。

程序的运行结果如下：

3.3.4 工厂函数

shared_ptr很好地消除了显式的delete调用，如果读者掌握了它的用法，即可确保delete在你的编程字典中彻底消失。

但这还不够，因为shared_ptr的构造还需要new调用，这会导致代码的某种不对称性。虽然shared_ptr很好地包装了new表达式，但过多的显式new操作符也是个问题，显式new调用应该使用工厂模式来解决。

因此，smart_ptr库提供了一个工厂函数make_shared（）来消除显式的new调用：

make_shared（）函数可以接收若干个参数，然后把它们传递给类型T的构造函数，创建一个shared_ptr＜T＞的对象并返回。通常使用make_shared（）函数要比直接创建shared_ptr对象的方式快且高效，因为它内部仅分配一次内存，消除了shared_ptr构造时的“开销”。

下面的代码示范了make_shared（）函数的用法：

如果C++编译器支持可变参数模板特性，那么make_shared（）的参数数量没有限制，能够以任意多数量的参数构造对象；否则它最多只能接收10个参数。

除了make_shared（），smart_ptr库还提供了一个allocate_shared（），它比make_shared（）多接收一个定制的内存分配器类型的参数，其他方面二者相同。

3.3.5 应用于标准容器

有两种方式可以将shared_ptr应用于标准容器（或者容器适配器等其他容器）。

一种方式是将容器作为shared_ptr的管理对象，如shared_ptr＜list＜T＞＞，使容器可以被安全地共享，其用法与普通的shared_ptr没有区别，我们不再讨论。

另一种方式是将shared_ptr作为容器的元素，如vector＜shared_ptr＜T＞＞，因为shared_ptr支持拷贝语义和比较操作，符合标准容器对元素的要求，所以可以在容器中安全地容纳元素的指针，而不是拷贝。

标准容器不能容纳scoped_ptr，因为scoped_ptr不能拷贝和赋值。标准容器可以容纳原始指针，但这就丧失了容器的许多好处，因为标准容器无法自动管理指针类型的元素，所以必须编写大量额外的代码来保证指针最终被正确删除，这通常很麻烦而且容易出错。

存储shared_ptr的容器与存储原始指针的容器的功能几乎一样，但shared_ptr为程序员做了指针的管理工作，可以任意使用shared_ptr而不用担心资源泄漏。

下面的代码示范了将shared_ptr应用于标准容器的方式：

在上述代码中，需要注意迭代器和operator[]的用法，因为容器内存储的是shared_ptr，我们必须对迭代器pos使用一次解引用操作符“*”以获得shared_ptr，再对shared_ptr使用解引用操作符“*”，才能操作真正的值。*（*pos）也可以直接写成**pos，但前者更清晰，而后者很容易让人迷惑。

vector的operator[]用法与迭代器类似，也需要使用解引用操作符“*”获取真正的值。

使用boost.foreach库（见8.1节）或C++里的新式for循环可以避免迭代器到shared_ptr的两次解引用，直接取出容器里的shared_ptr。例如：

另外Boost还在boost.iterators库里提供了迭代器适配器indirect_iterator来简化容纳shared_ptr容器的使用，具体可参考附录A中的推荐书目[3]。

3.3.6 应用于桥接模式

桥接模式是一种结构型设计模式，它把类的具体实现细节对用户隐藏起来，以达到类之间的最小耦合关系。在具体编程实践中，桥接模式也被称为pimpl或handle/body惯用法，它可以将头文件的依赖关系降到最小，减少编译时间，而且桥接模式不使用虚函数即可实现多态。

scoped_ptr和shared_ptr都可以用来实现桥接模式，但通常shared_ptr更合适，因为它支持拷贝和赋值，这在很多情况下都是有用的，比如可以配合容器工作。

本节通过一个小例子来说明shared_ptr如何用于pimpl。

首先我们声明一个类sample，它仅向外界暴露了最小的细节，其真正的实现在内部类impl，sample用一个shared_ptr来保存它的指针：

在sample的cpp中完整定义impl和其他功能：

最后是桥接模式的使用，具体如下：

桥接模式非常有用，它可以任意改变具体的实现并使外界对此一无所知，同时它可以减少源文件之间的编译依赖，使程序获得更多的灵活性。而shared_ptr是实现桥接模式的最佳工具，它解决了指针的共享问题和引用计数问题（关于桥接模式更详细的讨论请见附录A的推荐书目[1]）。

3.3.7 应用于工厂模式

工厂模式是一种创建型设计模式，这个模式包装了new操作符的使用，使对象的创建工作集中在工厂类或工厂函数中，从而更容易适应变化，make_shared（）就是工厂模式的一个很好的例子。

在程序中编写自己的工厂类或工厂函数时通常需要在堆上使用new动态分配一个对象，然后返回对象的指针。这种做法很不安全，因为用户很容易忘记对指针调用delete，存在资源泄漏的隐患。

使用shared_ptr可以解决这个问题，只需要修改工厂方法的接口，不再返回原始指针，而是返回一个被shared_ptr包装的智能指针，这样可以很好地保护系统资源，而且可以更好地控制对接口的使用。

接下来我们使用代码来解释将shared_ptr应用于工厂模式的用法，首先实现一个纯抽象基类，即接口类：

注意abstract的析构函数，如果它被定义为保护的，则意味着除了它自己和它的子类，任何其他对象都无权调用delete来删除它。

然后我们定义abstract的实现子类：

随后的工厂函数返回基类的shared_ptr：

这样我们就完成了全部工厂模式的实现，现在可以把这些组合起来：

由于基类abstract的析构函数是保护的，所以用户无法对指针做出任何破坏行为，即使用get（）获得了原始指针也不行：

这段代码不能通过编译，其原因是无法访问abstract的保护析构函数。

但这不是绝对的，使用“粗鲁”的方法也可以在shared_ptr外删除对象，因为impl的析构函数是公开的，所以：

这样就可以任意操作原本处于shared_ptr控制下的原始指针了，但永远也不要这样做，因为这会使shared_ptr在析构时删除可能已经不存在的指针，引发未定义行为。

3.3.8 定制删除器

在3.3.2节我们特意没有讨论shared_ptr的一种形式的构造函数shared_ptr（Y*p，D d），它涉及shared_ptr的另一个重要概念——删除器。

shared_ptr（Y*p，D d）的第一个参数是要被管理的指针，它的含义与其他构造函数的参数相同。而第二个参数则告诉shared_ptr在析构时不要使用delete来操作指针p，而要用d来操作，即把delete p换成d（p）。

在这里删除器d可以是一个函数对象，也可以是一个函数指针，只要它能够像函数那样被调用，使得d（p）成立即可。对删除器的要求是它必须可拷贝，其行为也必须像delete那样，不能抛出异常。

为了配合删除器的工作，shared_ptr提供一个自由函数get_deleter（），它能够返回内部的删除器指针。

有了删除器的概念，我们就可以用shared_ptr实现管理任意资源。只要这种资源提供了它自己的释放操作，shared_ptr就能够保证它自动释放。

假设我们有一组操作socket的函数，使用socket_t：

那么，socket资源对应的释放操作就是函数close_socket（），它符合shared_ptr对删除器的定义，可以像用shared_ptr这样管理socket资源：

在这里，删除器close_socket（）是一个自由函数，因此只需要把函数名传递给shared_ptr即可。也可以在函数名前加上取地址操作符“&”，其效果是等价的：

这样我们就使用shared_ptr配合定制的删除器管理了socket资源。当离开作用域时，shared_ptr会自动调用close_socket（）函数关闭socket，再也不用担心会有资源遗失。

再如，对于传统的使用struct FILE的C文件操作，也可以使用shared_ptr配合定制删除器自动管理。例如：

shared_ptr＜FILE＞fp(fopen(＂./1.txt＂,＂r＂),fclose);

离开作用域时，shared_ptr会自动调用fclose（）函数关闭文件。

shared_ptr的删除器特性在处理某些特殊资源时非常有用，它使得用户可以定制、扩展shared_ptr的行为，使shared_ptr不仅仅能够管理内存资源，而是成为一个“万能”的资源管理工具。

3.3.9 高级议题

本节讨论关于shared_ptr的一些高级议题。

1.对比std：：shared_ptr

C++标准（C++11.20.7.2）中定义了std：：shared_ptr，功能与boost：：shared_ptr基本相同，完全可以等价互换。

2.显式bool转型

早期版本的shared_ptr的bool转型函数是隐式转换，但后来为了与标准一致，添加了explicit修饰，变成了显式转换。

出于对兼容性的考虑，C++标准规定在if、assert、for等逻辑判断语境下，shared_ptr还是可以隐式转换的（如之前的代码），但其他情形（如函数参数或返回值）则必须显式转换，可以使用static_cast＜bool＞（p）、p！=nullptr或！！p等形式。例如：

3.指针转型函数

在编写基于虚函数的多态代码时，指针的类型转换很有用，如把一个基类指针转型为一个派生类指针，或者反过来。但shared_ptr不能使用诸如static_cast＜T*＞（p.get（））的形式，这将导致转型后的指针无法再被shared_ptr正确管理。

为了支持这样的用法，shared_ptr提供了类似的转型函数static_pointer_cast＜T＞（）、const_pointer_cast＜T＞（）和dynamic_pointer_cast＜T＞（），它们与标准的转型操作符static_cast＜T＞等类似，但它们返回的是转型后的shared_ptr。

例如，下面的代码使用dynamic_pointer_cast把一个shared_ptr＜std：：exception＞向下转型为一个shared_ptr＜bad_exception＞，然后又用static_pointer_cast将其重新转型为shared_ptr＜std：：exception＞：

4.shared_ptr＜void＞

shared_ptr＜void＞能够存储void*型指针，而void*型指针可以指向任意类型，因此shared_ptr＜void＞就像是一个泛型的指针容器，拥有容纳任意类型的能力。

但将指针存储为void*型的同时会丧失原来的类型信息，为了在需要的时候正确使用指针，可以用static_pointer_cast＜T＞等转型函数将指针重新转为原来的指针。但这涉及运行时进行动态类型转换，会导致代码不够安全，建议最好不要这样使用。

5.删除器的高级用法

基于shared_ptr＜void＞和定制删除器，shared_ptr可以有更“惊人”的用法。由于空指针可以是任何指针类型，因此利用shared_ptr＜void＞还可以实现退出作用域时调用任意函数。例如：

shared_ptr＜void＞存储了一个空指针，并指定了删除器是操作void*的一个函数，因此当它析构时会自动调用函数any_func（），从而执行任意我们想做的工作。

6.别名构造函数（aliasing）

除之前介绍的构造函数之外，shared_ptr还有一种比较特殊的构造函数，其形式如下：

上述函数的作用是共享r的引用计数，但它实际持有的却是另外一个可能与r毫无关系的指针p，而且它并不负责p的自动销毁。

初看，这种形式的构造函数非常怪异，但它是有实际应用价值的，一个具体的使用场景是指向已经被shared_ptr管理的对象的内部成员变量：

7.owner_less

因为存在别名构造函数，所以在某些情况下，单纯地基于p.get（）的指针值比较就不再适用，为此smart_ptr库提供了基于所有权的比较函数对象owner_less，定义了严格的弱序关系，可以用于关联容器。

下面的代码简单地示范了将owner_less用于标准容器set：