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M.6 — std::unique_ptr

16 min read

"Key Takeaway"

  • 智能指针永远都不应该被动态创建，总是应该在栈上
  • std::unique_ptr 智能指针是其管理资源的唯一拥有者，且只有移动语义
  • std::unique_ptr 并不一定总是管理着某个对象——有可能是它被初始化为空（使用默认构造函数或nullptr字面量作为参数），也有可能是它管理的资源被转移了，通过直接对它判断true还是false可以知道它是否正在管理资源
  • 模板化函数 std::make_unique 比直接使用std::unique_ptr更好用也更安全，它返回的是管理资源的std::unique_ptr
  • 函数传参时，一般不希望转移所有权，否则资源会在函数结束时被销毁。此时最好传递智能指针管理的资源本身（按值传递或按地址传递都可以），但是不要把智能指针的引用直接传进去

在本章开始的时候，我们讨论了使用指针可能会引发的bug和内存泄漏问题。例如，函数的提前返回、异常的抛出和指针删除不当都可能导致上述问题。

#include <iostream>
 
void someFunction()
{
    auto* ptr{ new Resource() };
 
    int x{};
    std::cout << "Enter an integer: ";
    std::cin >> x;
 
    if (x == 0)
        throw 0; // the function returns early, and ptr won’t be deleted!
 
    // do stuff with ptr here
 
    delete ptr;
}

到目前为止，我们已经学习了移动语义的基本内容，接下来可以继续回到智能指针类的讨论了。回忆一下，智能指针是一个用于管理动态分配内存的类。尽管智能指针也提供其他功能，但是它最本质的功能还是管理动态分配的资源，并且确保在恰当的时候（通常是智能指针离开作用域时），该动态资源可以被正确地清理。

因此，智能指针本身永远都不应该被动态创建（否则智能指针对象本身可能会被忘记释放，从而导致内存泄漏问题）。默认情况下，智能指针应该被创建在栈上（作为局部变量或作为其他类的成员），我们保证智能指针在离开作用域时（包含该指针的函数或对象结束时），它所拥有的资源会被恰当地释放。

C++11 标准库提供了4种智能指针类：std::auto_ptr (在 C++17 中已经删除了)， std::unique_ptr， std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。其中 std::unique_ptr 是目前最为常用的一个指针类，所以我们稍后会首先介绍它，在接下来的课程中，我们会介绍 std::shared_ptr 和std::weak_ptr。

std::unique_ptr

std::unique_ptr 在C++11中被用来替代 std::auto_ptr。该智能指针被用来管理动态分配的对象，且该对象并不被多个其他对象所共享。也就是说， std::unique_ptr 单独拥有它所管理的资源，而不会和其他类共享资源的所有权。 std::unique_ptr 被定义在 <memory> 头文件中。

再看一个简单的例子：

#include <iostream>
#include <memory> // for std::unique_ptr
 
class Resource
{
public:
	Resource() { std::cout << "Resource acquired\n"; }
	~Resource() { std::cout << "Resource destroyed\n"; }
};
 
int main()
{
	// allocate a Resource object and have it owned by std::unique_ptr
	std::unique_ptr<Resource> res{ new Resource() };
 
	return 0;
} // res goes out of scope here, and the allocated Resource is destroyed

因为 std::unique_ptr 被分配在栈上，所以它最终一定会离开作用域，当它离开时，它会确保Resource被删除。

和std::auto_ptr不同的是 std::unique_ptr正确地实现了移动语义。

#include <iostream>
#include <memory> // for std::unique_ptr
#include <utility> // for std::move
 
class Resource
{
public:
	Resource() { std::cout << "Resource acquired\n"; }
	~Resource() { std::cout << "Resource destroyed\n"; }
};
 
int main()
{
	std::unique_ptr<Resource> res1{ new Resource{} }; // 创建 Resource 
	std::unique_ptr<Resource> res2{}; // 初始化为空指针
 
	std::cout << "res1 is " << (res1 ? "not null\n" : "null\n");
	std::cout << "res2 is " << (res2 ? "not null\n" : "null\n");
 
	// res2 = res1; // 不能编译: 因为拷贝赋值被禁用了
	res2 = std::move(res1); // res2 获取资源所有权，res1 设为空
 
	std::cout << "Ownership transferred\n";
 
	std::cout << "res1 is " << (res1 ? "not null\n" : "null\n");
	std::cout << "res2 is " << (res2 ? "not null\n" : "null\n");
 
	return 0;
} // Resource destroyed here when res2 goes out of scope

程序运行结果为：

Resource acquired
res1 is not null
res2 is null
Ownership transferred
res1 is null
res2 is not null
Resource destroyed

==因为 std::unique_ptr 在设计时考虑了移动语义，所以其拷贝构造函数和拷贝赋值运算符都被禁用了。如果你想要转移 std::unique_ptr 管理的资源的话，就必须使用移动语义==。在上面的例子中，移动语义是通过 std::move 实现的（它把res1转换成了一个右值，因此触发了移动赋值而不是拷贝赋值）。

访问被智能指针管理的对象

std::unique_ptr 类重载了解引用运算符和成员访问运算符→，所以我们可以通过这两个运算符来返回被管理的对象。解引用运算符会返回被管理资源的引用，而operator->返回一个指针。

记住，==std::unique_ptr 并不一定总是管理着某个对象——有可能是它被初始化为空（使用默认构造函数或nullptr字面量作为参数），也有可能是它管理的资源被转移了==。 所以在使用这些操作符之前，必须首先检查 std::unique_ptr是否有资源。==因为std::unique_ptr会被隐式转换为布尔类型，所以只需要对该指针进行条件判断就可以，当返回true时说明它包含资源。==

Here’s an example of this:

#include <iostream>
#include <memory> // for std::unique_ptr
 
class Resource
{
public:
	Resource() { std::cout << "Resource acquired\n"; }
	~Resource() { std::cout << "Resource destroyed\n"; }
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Resource &res)
	{
		out << "I am a resource";
		return out;
	}
};
 
int main()
{
	std::unique_ptr<Resource> res{ new Resource{} };
 
	if (res) // use implicit cast to bool to ensure res contains a Resource
		std::cout << *res << '\n'; // print the Resource that res is owning
 
	return 0;
}

打印结果：

Resource acquired
I am a resource
Resource destroyed

在上面的例子中，我们使用了重载的解引用运算符来获取 std::unique_ptr res 管理的 Resource 对象，然后将其送去 std::cout 打印。

std::unique_ptr 和数组

和 std::auto_ptr 不一样的是，std::unique_ptr 足够智能，它懂得使用恰当的delete去删除内存（普通 delete 或数组 delete），所以，std::unique_ptr 既可以用于一般对象，也可以用于数组。

但是，==相对于使用 std::unique_ptr 管理一个固定数组或C风格字符串，使用std::array 或者 std::vector (或者 std::string) 总是更好的选择。==

"最佳实践"

相对于使用 std::unique_ptr 管理一个固定数组、动态数组或C风格字符串，使用std::array 或者 std::vector (或者 std::string) 总是更好的选择。

std::make_unique

C++14 新增了一个名为 std::make_unique()的函数。这个模板化函数基于一个模板类型构建对象，并使用传入的参数对其进行初始化。

#include <memory> // for std::unique_ptr 和 std::make_unique
#include <iostream>
 
class Fraction
{
private:
	int m_numerator{ 0 };
	int m_denominator{ 1 };
 
public:
	Fraction(int numerator = 0, int denominator = 1) :
		m_numerator{ numerator }, m_denominator{ denominator }
	{
	}
 
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Fraction &f1)
	{
		out << f1.m_numerator << '/' << f1.m_denominator;
		return out;
	}
};
 
 
int main()
{
	// 创建一个动态分配的 Fraction
	// 这里可以配合使用自动类型推断获得更好的效果
	auto f1{ std::make_unique<Fraction>(3, 5) };
	std::cout << *f1 << '\n';
 
	// 创建一个动态分配的 Fraction 数组，长度为4
	auto f2{ std::make_unique<Fraction[]>(4) };
	std::cout << f2[0] << '\n';
 
	return 0;
}

程序输出：

3/5
0/1

使用 std::make_unique() 是一种可选的办法，但是相对于直接创建 std::unique_ptr ，我们更推荐这种做法。不关因为使用 std::make_unique 的代码更加简洁（尤其是使用了类型推断后），它还可以解决C++参数求值顺序没有规范而引发的异常安全问题。

"最佳实践"

使用 std::make_unique() 来代替 std::unique_ptr和 new。

异常安全问题

如果你对上文提到的异常安全问题感到好奇的话，这一小结我们会详细进行介绍。

考虑下面的代码：

some_function(std::unique_ptr<T>(new T), function_that_can_throw_exception());

对于如何执行上述函数调用，编译器有很大的灵活性。它可以先创建新的类型T，然后调用function_that_can_throw_exception()吗，然后创建std::unique_ptr 去管理动态分配的T。如果 function_that_can_throw_exception() 抛出了依次，那么T在被分配内存后，没有被释放，因为用于管理它的智能指针还没有被创建。显然这会导致内存泄漏。

std::make_unique()克服了整个问题，因为对象T和 std::unique_ptr 的创建都是在 std::make_unique()中完成的，执行顺序没有歧义。

函数返回 std::unique_ptr

std::unique_ptr 可以安全地从函数中按值返回：

#include <memory> // for std::unique_ptr
 
std::unique_ptr<Resource> createResource()
{
     return std::make_unique<Resource>();//匿名对象是右值，所以使用移动语义
}
 
int main()
{
    auto ptr{ createResource() };
 
    // do whatever
 
    return 0;
}

在上面的代码中，createResource() 按值返回了 std::unique_ptr 。如果这个值没有被赋值给任何其他的对象，那么临时对象就会离开作用域，Resource也会被清理。如果它被赋值给其他对象 (像 main()中那样)，在C++14或更早的代码中，移动语义会被用来将返回值Resource转移给被赋值的对象（上面例子中的ptr）。在C++17或更新的代码中，这个返回值会被省略，因此通过 std::unique_ptr 返回资源返回原始指针要安全的多！

一般情况下，你不应该将 std::unique_ptr 按指针返回（永远不要）或者按引用返回（除非你有足够的理由）。

传递 std::unique_ptr 给函数

如果你需要函数获取 std::unique_ptr 管理的资源，使用按值传递。注意，由于拷贝语义被禁用了，所以必须对实际传入的参数调用 std::move。

"作者注"

需不需要使用std::move要看传入的是左值还是右值，左值才需要。

#include <iostream>
#include <memory> // for std::unique_ptr
#include <utility> // for std::move
 
class Resource
{
public:
	Resource() { std::cout << "Resource acquired\n"; }
	~Resource() { std::cout << "Resource destroyed\n"; }
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Resource &res)
	{
		out << "I am a resource";
		return out;
	}
};
 
void takeOwnership(std::unique_ptr<Resource> res)
{
     if (res)
          std::cout << *res << '\n';
} // the Resource is destroyed here
 
int main()
{
    auto ptr{ std::make_unique<Resource>() };
 
//    takeOwnership(ptr); // This doesn't work, need to use move semantics
    takeOwnership(std::move(ptr)); // ok: 使用移动语义
 
    std::cout << "Ending program\n";
 
    return 0;
}

程序输出结果为：

Resource acquired
I am a resource
Resource destroyed
Ending program

==注意，在这个例子中，Resource 的所有权被转移给了takeOwnership()，所以 Resource 会在 takeOwnership() 函数结束时被销毁，而不是 main()。==

但是，大多数时候，我们不会希望某个函数拥有资源的所有权。尽管你可以按引用传递std::unique_ptr (这样一来函数就无需考虑所有权直接使用对象本身)，但是这种做法只有在函数可能需要改变被管理的对象时才使用。

相反，最好是直接传递资源本身(通过指针或引用，取决于null是否是有效参数)。这样一来，函数就无需关心资源是如何被管理的了。要从std::unique_ptr中获取原始资源指针，你可以使用get()成员函数：

#include <memory> // for std::unique_ptr
#include <iostream>
 
class Resource
{
public:
	Resource() { std::cout << "Resource acquired\n"; }
	~Resource() { std::cout << "Resource destroyed\n"; }
 
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Resource &res)
	{
		out << "I am a resource";
		return out;
	}
};
 
// 函数值会使用资源，所以它只需要获取指向资源本身的指针，而不需要获取完整的 std::unique_ptr<Resource> 的引用
void useResource(Resource* res)
{
	if (res)
		std::cout << *res << '\n';
	else
		std::cout << "No resource\n";
}
 
int main()
{
	auto ptr{ std::make_unique<Resource>() };
 
	useResource(ptr.get()); // note: 通过 get() 获取被管理的资源
 
	std::cout << "Ending program\n";
 
	return 0;
} // The Resource is destroyed here

程序运行结果：

Resource acquired
I am a resource
Ending program
Resource destroyed

std::unique_ptr 和类

当然，你也可以将 std::unique_ptr 作为一个类成员（形成组合关系关系）。这样一来，你就不需要在类的析构函数中删除该动内存，因为std::unique_ptr 会在类对象销毁时自动销毁。

但是，如果类没有被正确地销毁的话（例如，动态分配了内存但没有被释放），于是 std::unique_ptr 成员也不会被销毁，所以它管理的资源也不会被释放。

std::unique_ptr 的误用

std::unique_ptrs有两种典型的误用，但是它们其实很容易避免。首先，不要让多个类管理同一个资源，例如：

Resource* res{ new Resource() };
std::unique_ptr<Resource> res1{ res };
std::unique_ptr<Resource> res2{ res };

尽管语法上完全正确，但是最终的结果是res1 和 res2 都会去删除资源Resource，进而导致未定义行为。

第二，不要手动释放已经在 std::unique_ptr 管理下的资源：

Resource* res{ new Resource() };
std::unique_ptr<Resource> res1{ res };
delete res;

这么做的话，std::unique_ptr 就会再次删除这个已经被释放的资源，导致未定义行为。

使用 std::make_unique() 可以避免上述两个问题。

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