【C++入门到精通】智能指针 auto_ptr、unique_ptr简介及C++模拟实现 [ C++入门 ]

引言

在 C++ 中，智能指针是一种非常重要的概念，它能够帮助我们自动管理动态分配的内存，避免出现内存泄漏等问题。在上一篇文章中，我们了解了智能指针的基本概念和原理，本篇文章将继续介绍 auto_ptr 和 unique_ptr 两种智能指针的概念及其在 C++ 中的模拟实现。通过学习这些内容，您将更好地理解智能指针的不同类型和使用场景，进一步提高程序的安全性和可靠性。让我们一起探索C++智能指针的精彩世界！

一、std::auto_ptr

🔴std::auto_ptr官方文档

1. 简介

std::auto_ptr 是 C++ 标准库中提供的一种智能指针类型，用于管理动态分配的内存资源。

std::auto_ptr 的主要特点是拥有所有权语义的转移。当一个 auto_ptr 对象拥有某个内存资源时，它可以将这个所有权转移给另一个 auto_ptr 对象。这意味着当一个 auto_ptr 对象被赋值给另一个 auto_ptr 对象或者被传递给一个函数时，原来的 auto_ptr 对象将不再拥有该资源，而是转移到了新的对象上。

std::auto_ptr 类的定义在 <memory> 头文件中。使用 auto_ptr 需要包含该头文件，并使用 std 命名空间。

2. 使用示例

?我们可以使用 auto_ptr 来管理动态分配的整型对象：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::auto_ptr<int> ptr(new int(42));
    
    std::cout << *ptr << std::endl;  // 输出：42
    
    std::auto_ptr<int> ptr2 = ptr;  // 所有权转移
    
    std::cout << *ptr2 << std::endl;  // 输出：42
    // std::cout << *ptr << std::endl;  // 错误！ptr 不再拥有资源

    return 0;
}

🚨🚨注意：当一个 auto_ptr 对象转移所有权后，原来的对象将变为一个空指针。这可能导致程序出现意外的行为，因此需要谨慎使用。此外，std::auto_ptr 并不支持数组类型的内存资源管理，它只适用于单个对象。如果需要管理动态分配的数组，应该使用其他智能指针类型，如 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr。

总之，std::auto_ptr 是 C++ 标准库中提供的一种智能指针类型，具有所有权转移的特性。然而，由于其存在一些潜在的问题，已经在 C++17 中被废弃，推荐使用更先进的智能指针类型来代替。

3. C++模拟实现

template<class T>
class auto_ptr
{
public:
    // 构造函数，接受一个指向动态分配的资源的指针
    auto_ptr(T* ptr)
        : _ptr(ptr)
    {}

    // 析构函数，在对象销毁时释放资源
    ~auto_ptr()
    {
        if (_ptr)
        {
            cout << "delete:" << _ptr << endl;
            delete _ptr;
        }
    }

    // 拷贝构造函数，用于管理权转移
    auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
        : _ptr(ap._ptr)
    {
        ap._ptr = nullptr;
    }

    // 解引用操作符，返回所管理资源的引用
    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    // 成员访问操作符，返回所管理资源的指针
    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }
private:
    T* _ptr;  // 指向动态分配的资源的指针
};

这段代码是一个简化版的 auto_ptr 类的实现，用于演示 auto_ptr 的基本工作原理。它是一个模板类，可以管理任意类型的动态分配的内存资源。

?该类包含了以下成员函数和成员变量：

• 构造函数：接受一个指向动态分配的资源的指针，并将其存储在私有成员变量 _ptr 中。
• 析构函数：在对象销毁时释放资源，即调用 delete 操作符删除 _ptr 指向的内存。
• 拷贝构造函数：用于管理权转移，将另一个 auto_ptr 对象的资源转移到当前对象中，并将原对象的指针置为空。
• operator*：用于解引用 auto_ptr 对象，返回所管理资源的引用。
• operator->：用于访问 auto_ptr 所管理资源的成员。

🚨🚨再次提醒：当一个 auto_ptr 对象转移所有权后，原来的对象将变为一个空指针。这可能导致程序出现意外的行为，因此需要谨慎使用。

二、std::unique_ptr

🔴std::unique_ptr官方文档

1. 简介

std::unique_ptr 是 C++11 中引入的一种智能指针，它是一个轻量级的、不可拷贝的指针类型。与传统的裸指针不同，std::unique_ptr 通过 RAII 的方式来管理动态分配的内存资源，从而实现自动资源释放和防止内存泄漏。

使用 std::unique_ptr 可以避免手动管理动态分配的内存资源，因为 std::unique_ptr 自身就拥有资源的所有权，当 std::unique_ptr 被销毁时，它所管理的资源也会被自动释放。这使得代码更加简洁、安全和易于维护。

std::unique_ptr 有以下几个主要特点：

1. 不支持拷贝和赋值操作，即不能直接复制或赋值一个 std::unique_ptr 对象，只能通过移动语义或者 std::move 函数来转移资源的所有权；
2. 在默认情况下，std::unique_ptr 使用 delete 操作符来释放所管理的资源，但也可以通过自定义删除器来实现对资源的自定义释放操作；
3. 支持使用 lambda 表达式来实现自定义删除器，从而更加灵活地管理资源。

2. 使用示例

下面是一个简单的示例，演示了 std::unique_ptr 的基本使用方法：

#include <iostream>
#include <memory>

int main()
{
    // 使用 std::unique_ptr 来管理动态分配的 int 类型对象
    std::unique_ptr<int> uptr(new int(42));

    // 解引用操作符，返回所管理资源的引用
    std::cout << *uptr << std::endl;

    // 成员访问操作符，返回所管理资源的指针
    int* p = uptr.get();
    std::cout << *p << std::endl;

    // 试图复制或赋值 unique_ptr 对象会编译错误
    // std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr; // Error

    // 转移资源所有权
    std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr);
    std::cout << *uptr2 << std::endl;

    return 0;
}

?输出结果为：

42
42
42

🚨🚨注意：由于 std::unique_ptr 是一个模板类，可以管理任意类型的动态分配的内存资源，因此使用时需要显式指定模板参数。另外，对于数组的动态分配内存资源的管理，建议使用 std::unique_ptr 的数组版本 std::unique_ptr<T[]>。

3. C++模拟实现

template<class T>
class unique_ptr
{
public:
    // 构造函数，接受一个裸指针作为参数
    unique_ptr(T* ptr)
        :_ptr(ptr)
    {}

    // 析构函数，释放资源
    ~unique_ptr()
    {
        if (_ptr)
        {
            cout << "delete:" << _ptr << endl;
            delete _ptr;
        }
    }

    // 重载解引用操作符，返回资源的引用
    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    // 重载成员访问操作符，返回资源的指针
    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }

    // 防止拷贝和赋值
    // C++11思路：直接将拷贝构造函数和赋值运算符声明为删除函数
    unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
    unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;

    // 防止拷贝和赋值
    // C++98思路：只声明不实现，但是用的人可能会在外部强行定义，所以再加一条，声明为私有
    // private:
    // unique_ptr(const unique_ptr<T>& up);
    // unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up);

private:
    T* _ptr;
};

🚩这段代码实现了一个简化版的 unique_ptr 类，具有管理动态资源的能力，并防止了拷贝和赋值操作。注释中详细解释了每个函数的作用和实现原理，以及两种防止拷贝和赋值的方式（C++11 和 C++98 思路）。

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