C++23中的智能指针：唯一指针的使用指南
C++23中的智能指针：唯一指针的使用指南
C++以其复杂的内存管理而闻名，但现代C++通过智能指针等特性，使得内存管理更加安全和高效。本文将详细介绍C++23中智能指针的使用，重点讲解唯一指针（unique_ptr）的原理和使用方法。
内存管理和唯一指针
C++以具有难以处理的内存模型而闻名，尤其是对于来自托管内存语言的程序员。它因越界引用错误和内存泄漏被开发者吐槽。尽管如此，现代C++比以前安全得多，现在甚至比托管内存模型更安全（性能更高）。
在这个由两部分组成的系列的第1部分中，我们将解释托管内存语言和传统C和C++中的内存管理原则，解释每种方法的问题，然后建议智能指针如何提供帮助。最后，我们将深入探讨一个重要的内置智能指针，即唯一指针（unique_ptr）。
本文的第二部分将介绍另一个有用的智能指针：共享指针，以及它的一些朋友，并将其与唯一指针进行比较。
传统内存管理的工作原理
以托管内存语言为例，你可以在其中实例化变量——例如，在堆栈上或新对象内部——如下所示：
MyClass p = new MyClass(p1, p2, …);
p.field = 0;
在幕后有两个步骤：
- 新对象在堆中分配，然后根据其构造函数进行初始化。
- 在上下文中创建一个“pointer”，它指示可以找到新对象“referent”的位置。
图 1：堆栈上的指针引用堆上的对象（托管内存版本）
如果不初始化变量，则仍会创建指针，但不会指示任何内容——这是null。无论哪种方式，你创建的变量看起来都是MyClass类，但实际上，它只是指向实际MyClass对象的指针。
C、C++中的内存管理
在C和C++中，MyClass对象和指针之间有明显的区别，由*表示。上述C或C++代码的等效项如下所示：
MyClass* c = new MyClass(p1, p2, …);
*c.field = 0; // or, equivalently, c->field = 0;
图 2：堆栈上的指针引用堆上的对象（C++版本）
这种区别的原因是，与托管内存语言不同，可以在堆以外的位置创建对象：堆栈上、另一个对象内部，甚至某个受保护的内存块内。
以下是在堆栈上创建对象的方法：
MyClass s(p1, p2, …);
图 3：在堆栈而不是堆上创建对象
垃圾回收：托管内存与C++
托管内存和C++的内存之间还有另一个区别：清理。
在托管内存语言中，对象使用的内存使用垃圾回收器自动回收。有许多不同的策略，但最终它们都通过搜索程序分配的所有对象来工作，查找不再可访问的对象。然后，它会删除这些孤立对象并回收它们使用的内存，将它们返回到堆中。
这个过程并不完美。它通常会导致意外的减速，因为垃圾回收器在程序运行时无法工作，当然，你不知道何时回收对象，这意味着可能会不必要地留下其他昂贵的资源。但它是自动的。
相比之下，C++的对象在超出范围的那一刻就会被销毁。堆栈上的MyClass：它删除其资源，并在包含方法结束时回收其内存。
但是指针c呢？指针被删除了，但引用仍然存在，除非程序员在它不再可访问时煞费苦心地删除它，否则其他人将永远无法删除它，因为没有其他人对它有引用。
这就是我们所说的内存泄漏。有时（例如，在异常期间），创建者甚至无法安全地删除引用。
图 4：已删除的指针。MyClass对象永远无法释放，因此其内存已“泄漏”。
智能指针进行救援！
在C和C++中，指针隐式公开包含运算符*和运算符->的接口。这两个运算符都取消引用指针：也就是说，它们返回指针的引用对象。
在C++中，我们可以创建实现这些运算符的类。我们的想法是，它们的外观和工作方式与我们刚刚看到的那些简单指针类似，但它们可以在一定程度上进行自定义。它们是普通的类，因此它们可以在构造、销毁、取消引用甚至基于来自系统中其他位置的信号时应用特殊处理。这些指针称为“智能指针”。
本系列探讨了两种内置智能指针：unique_ptr和shared_ptr。但是，在第1部分中，我们将只关注unique_ptr，这通常是更有用的。
unique_ptr和所有权的概念
C++11中引入了唯一指针。它是一个智能指针（因此它导出了运算符*和运算符->），但它添加了所有权的概念，就像Rust中的所有权概念一样。
就像传统指针一样，唯一指针表示已在堆上分配的内存块。但与传统指针不同的是，当删除unique_ptr时，它还会析构并释放引用对象。
当然，这之所以有效，只是因为每个引用都只有一个管理它的unique_ptr：只有一个所有者。诀窍在于unique_ptr本身会强制执行这一点，正如你看到的。
与托管内存垃圾回收相比，它有巨大的优势：
- 一旦引用不再可访问，它就会被删除，并且其所有资源都会被回收，因此不会像托管内存那样延迟回收内存。
- 当内存开始不足并且垃圾回收器启动时，程序的执行不会暂停。
与C++的传统new和delete相比，unique_ptr具有显著的优势。内存回收是完全自动的。程序员无需手动删除内存，如果不使用高级、不安全的功能，这甚至是不可能的。
它本质上也是异常安全的。你可能知道，C++没有finally语句；在异常处理期间，异常处理程序需要删除你分配的任何资源，这通常是不可能的，因为异常是从何处引发的并不被知晓。异常会导致内存泄漏。
C++会在对象的上下文被销毁时（例如，当函数结束时）自动删除对象。unique_ptr还利用该机制自动删除引用对象，从而确保内存安全。
基本用法
使用unique_ptr的最简单方法是使用make_unique同时创建指针和引用。两者都在memory命名空间中定义，因此：
#include <memory>
std::unique_ptr<MyClass> c = std::make_unique<MyClass>(p1, p2, …);
c->field=0;
如你所见，指针和引用的创建看起来与之前非常相似：make_unique采用与MyClass的构造函数相同的参数；如果MyClass具有多个重载的构造函数，则它们将按预期工作。
我们可以通过定义一个instrumentation类来证明这是有效的：
#include <iostream>
class Test {
public:
Test () {
std::cout << “Test ctor” << std::endl;
}
~Test () {
std::cout << “Test dtor” << std::endl;
}
};
std::unique_ptr<Test> t = std::make_unique<Test>();
这将输出：
Test ctor
Test dtor
但是，如果我们尝试将唯一指针复制到另一个指针：
std::unique_ptr<Test> q = t;
你会收到一个compile-time错误，抱怨它无法完成。这是有道理的：复制指针会给所指对象两个所有者（t和q），但unique_ptr的全部目的是确保所指对象只有一个。
因此，唯一指针无法被复制，但可以移动它们。例如：
std::unique_ptr<Test> make_test () {
return std::make_unique<Test>();
}
std::unique_ptr<Test> s = make_test();
你还可以将它们放入STL容器中：
std::vector<std::unique_ptr<Test>> v;
v.emplace_back (std::make_unique<Test>());
Or even swap them:
std::unique_ptr<Test> a; // initialized to “null”
std::unique_ptr<Test> b = std::make_unique<Test>();
std::swap(a, b); //b 现在为 null，a 有一个引用，并且未删除任何内容
高级用法
正如你上面看到的，可以创建一个不与任何引用关联的unique_ptr。unique_ptr公开了operator bool，它测试是否有引用：
std::unique_ptr<Test> a;
if (a) { /* use *a */ }
事实上，有一整套方法允许你访问并“帮助”unique_ptr完成其工作：
- 你可以使用get（）获取指向引用对象的指针。
- 你可以使用release（）获得引用的所有权。这将返回指向引用对象的指针，但它也会将unique_ptr归零。所指现在是你的问题！
- 你可以reset（）unique_ptr。这将删除unique_ptr所具有的任何引用（就像删除unique_ptr一样），然后获得你刚刚为其提供的指针的所有权。
通常，当你使用这些函数时，你将放弃唯一指针安全网的很大一部分。如果调用引用unique_ptr的函数，则不知道该函数在返回给你之前可以对其进行哪些更改。指针可能拥有与你想象的完全不同的引用，或者根本没有。
除非在某些非常特殊的情况下，否则你不应允许函数移动、释放或重置唯一指针。你可以通过将unique_ptr声明为const来防止这种情况：
const std::unique_ptr<Test> c = std::make_unique<Test>();
unique_ptr数组
唯一指针的行为很像传统指针，但它们不做一件事：索引。例如：
std::unique_ptr<MyClass> c = std::make_unique<MyClass>();
auto x = c[2]; // forbidden
auto y = *c+1; // forbidden
++c; // forbidden
这是有道理的：所指对象只是一个对象，而不是它们的数组，并且数组在堆中的处理方式与单个对象非常不同，这就是我们有new和new[]的原因；delete和delete[]。
但是unique_ptr有一种方法可以处理数组。喜欢这个：
std::unique_ptr<C[]> cc = std::make_unique<C[]>(5);
std::cout << *(cc.Get()+1) << std::endl;
std::cout << cc[3] << std::endl;
++cc; // still forbidden!
这仅在模板类型是无界数组（即C[]而不是C[5]）时有效，并且仅在C具有默认构造函数时有效。换句话说，你不能从初始值设定项列表初始化数组。
结论
unique_ptr是一种非常简单的方法来保护程序免受内存错误的影响。它将堆对象的生存期绑定到其他更可预测的对象的生存期，并且你可以随时转移所有权。如果使用得当，它可以防止null-pointer和srid-pointer错误，并且可以完全避免内存泄漏。最后，与C样式指针相比，unique_ptr几乎不涉及运行时开销，也几乎不涉及任何内存开销。
但是，在使用它们之前，你应该检查它们是否是你问题的正确解决方案：
- 回收内存真的一点也不必要吗？如果程序只是一个短暂运行的程序（如命令行实用程序或编译器），则可能不需要回收内存，因为当程序终止时，它无论如何都会被回收。
- allocations和disallocation是否与堆栈同步？将堆栈用于瞬态内存比使用堆要快得多；它还更安全，因为对象将作为正常堆栈代谢的一部分自动清理。（当心！堆的容量比堆栈大得多，并且堆栈可能不够大，无法满足所有内存需求。
更多提示和推荐阅读
假设你决定需要分配和解除分配堆内存，请遵循以下规则：
- 优先使用make_unique而不是new和delete。如果程序仅运行较短的时间，则可以使用new（不带delete），但切勿将new/delete与unique_ptr混合使用。
- 将每个unique_ptr声明为const以避免意外，除非你真的需要修改引用。
- 将unique_ptr传递给另一个函数时，请将其作为C&或const unique_ptr&传递。切勿将unique_ptr传递给非引用参数——这会将引用的所有权授予参数，当参数在函数结束时超出范围时，将删除引用。这很可能不是你想要的。
只要遵循这些规则，则程序的编写和读取将比使用简单指针要容易得多。你也不会遭受内存泄漏或内存冲突。
例如，你可能遇到的错误将涉及通过将引用的所有权移动到短期内容（如函数参数）来过早释放指针。由此引起的错误立即可见；unique_ptr引用变为null，因此，如果尝试取消引用它，则可靠地会收到错误，并且调试器将在传递所有权时显示。
全面使用智能指针，你很少需要使用Valgrind等内存检查工具。
想要了解更多信息？当然，unique_ptr的权威来源是cpp参考。请继续关注本系列的第2部分，我们将在其中讨论共享指针并将其与唯一指针进行比较！