对类成员使用智能指针

Question

我无法理解智能指针在 C++11 中作为类成员的用法。我已经阅读了很多有关智能指针的内容，并且我想我确实了解 unique_ptr 和 shared_ptr/weak_ptr 的一般工作原理。我不明白的是真正的用法。似乎每个人都建议使用unique_ptr 作为几乎所有时间的方式。但是我将如何实现这样的事情：

class Device {
};

class Settings {
    Device *device;
public:
    Settings(Device *device) {
        this->device = device;
    }

    Device *getDevice() {
        return device;
    }
};    

int main() {
    Device *device = new Device();
    Settings settings(device);
    // ...
    Device *myDevice = settings.getDevice();
    // do something with myDevice...
}

假设我想用智能指针替换指针。 unique_ptr 不会因为 getDevice() 而工作，对吧？那是我使用shared_ptr 和weak_ptr 的时候吗？没有办法使用unique_ptr？在我看来，大多数情况下shared_ptr 更有意义，除非我在非常小的范围内使用指针？

class Device {
};

class Settings {
    std::shared_ptr<Device> device;
public:
    Settings(std::shared_ptr<Device> device) {
        this->device = device;
    }

    std::weak_ptr<Device> getDevice() {
        return device;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Device> device(new Device());
    Settings settings(device);
    // ...
    std::weak_ptr<Device> myDevice = settings.getDevice();
    // do something with myDevice...
}

这是要走的路吗？非常感谢！

Answer 1

unique_ptr 不会因为 getDevice() 而工作，对吧？

不，不一定。这里重要的是为您的Device 对象确定适当的所有权政策，即谁将成为您的（智能）指针所指向的对象的所有者。

它会是Settings 对象的实例单独吗？当Settings 对象被销毁时，Device 对象是否必须自动销毁，还是应该比该对象更长寿？

在第一种情况下，std::unique_ptr 是您所需要的，因为它使 Settings 成为指向对象的唯一（唯一）所有者，并且是唯一负责销毁该对象的对象。

在这个假设下，getDevice() 应该返回一个简单的observing 指针（观察指针是不保持指向对象活动的指针）。最简单的观察指针是原始指针：

#include <memory>

class Device {
};

class Settings {
    std::unique_ptr<Device> device;
public:
    Settings(std::unique_ptr<Device> d) {
        device = std::move(d);
    }

    Device* getDevice() {
        return device.get();
    }
};

int main() {
    std::unique_ptr<Device> device(new Device());
    Settings settings(std::move(device));
    // ...
    Device *myDevice = settings.getDevice();
    // do something with myDevice...
}

[注意 1： 您可能想知道为什么我在这里使用原始指针，因为每个人都在说原始指针是坏的、不安全的和危险的。实际上，这是一个宝贵的警告，但重要的是把它放在正确的上下文中：原始指针是不好的用于执行手动内存管理，即通过new 和@ 分配和释放对象987654332@。当纯粹用作实现引用语义和传递非拥有的观察指针的方法时，原始指针本质上没有任何危险，除了可能要注意不要取消引用悬空指针这一事实。 - 结束注释 1]

[注意 2： 正如它在 cmets 中出现的那样，在所有权是唯一的这种特殊情况下并且始终保证拥有的对象存在（即内部数据成员device 永远不会是nullptr），函数getDevice() 可以（也许应该）返回一个引用而不是一个指针。虽然这是真的，但我决定在这里返回一个原始指针，因为我的意思是这是一个简短的答案，可以概括为device 可能是nullptr 的情况，并表明只要原始指针是可以的人们不会将它们用于手动内存管理。 - END NOTE 2]

---

当然，如果您的Settings 对象不拥有设备的独占所有权，情况就完全不同了。例如，如果 Settings 对象的破坏不应该暗示指向的 Device 对象的破坏，则可能是这种情况。

这是只有作为程序设计者的您才能知道的；从您提供的示例中，我很难判断是否是这种情况。

为了帮助您弄清楚，您可能会问自己，除了 Settings 之外，是否还有任何其他对象有权保持 Device 对象的活动，只要它们持有指向它的指针，而不是仅仅被动观察者。如果确实如此，那么您需要一个共享所有权政策，这正是std::shared_ptr 提供的：

#include <memory>

class Device {
};

class Settings {
    std::shared_ptr<Device> device;
public:
    Settings(std::shared_ptr<Device> const& d) {
        device = d;
    }

    std::shared_ptr<Device> getDevice() {
        return device;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Device> device = std::make_shared<Device>();
    Settings settings(device);
    // ...
    std::shared_ptr<Device> myDevice = settings.getDevice();
    // do something with myDevice...
}

注意，weak_ptr 是一个 观察 指针，而不是拥有指针 - 换句话说，如果指向指向对象的所有其他拥有指针都退出，它不会使指向对象保持活动状态范围。

weak_ptr 相对于常规原始指针的优势在于，您可以安全地判断 weak_ptr 是否悬空（即它是否指向有效对象，或者该对象是否原指已被破坏）。这可以通过在weak_ptr 对象上调用expired() 成员函数来完成。

Answer 2

class Device {
};

class Settings {
    std::shared_ptr<Device> device;
public:
    Settings(const std::shared_ptr<Device>& device) : device(device) {

    }

    const std::shared_ptr<Device>& getDevice() {
        return device;
    }
};

int main()
{
    std::shared_ptr<Device> device(new Device());
    Settings settings(device);
    // ...
    std::shared_ptr<Device> myDevice(settings.getDevice());
    // do something with myDevice...
    return 0;
}

week_ptr 仅用于参考循环。依赖图必须是无环有向图。在共享指针中有 2 个引用计数：1 个用于 shared_ptrs，1 个用于所有指针（shared_ptr 和 weak_ptr）。当所有shared_ptrs 被删除时，指针被删除。当需要来自weak_ptr 的指针时，应该使用lock 来获取指针（如果存在）。