本文來自C/C++用戶日志，17（10），1999年10月 原文鏈接
大部分人都聽說過auto_ptr指針，但是并非所有人都每天使用它。不使用它是不明智的（可恥的），因?yàn)閍uto_ptr的設(shè)計(jì)初衷是為了解決C++設(shè)計(jì)和編碼的普遍問題，將它用好可以寫出更健壯的代碼。本文指出如何正確使用auto_ptr以使程序變得安全，以及如何避開危險(xiǎn)，而不是一般使用auto_ptr的惡習(xí)所致的創(chuàng)建間歇性和難以診斷的問題。
為什么它是一個(gè)“自動(dòng)”指針
auto_ptr只是許許多多智能指針中的一種。許多商業(yè)庫提供許多更強(qiáng)大的智能指針，可以完成更多的事情。從可以管理引用計(jì)數(shù)到提供更先進(jìn)的代理服務(wù)等。應(yīng)該把a(bǔ)uto_ptr認(rèn)為是智能指針中的福特Escort[注釋]：一個(gè)基于簡單且通用目的的智能指針，既沒有小發(fā)明也沒有豐富的特殊目的更不需要高性能，但是能將許多普通的事情做好，并且能夠適合日常使用的智能指針。
auto_ptr做這樣一件事：擁有一個(gè)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存對(duì)象，并且在它不再需要的時(shí)候履行自動(dòng)清理的職責(zé)。這里有個(gè)沒有使用auto_ptr指針的不安全的例子：
// Example 1(a): Original code
//
void f()
{
T* pt( new T );
/*...more code...*/
delete pt;
}
我們每天都像這樣寫代碼，如果f()只是一個(gè)三行程序，也沒做什么多余的事情，這樣做當(dāng)然可以很好工作。但是如果f()沒有執(zhí)行delete語句，比如程序提前返回（return）了，或者在執(zhí)行的時(shí)候拋出異常了，然后就導(dǎo)致已經(jīng)分配的對(duì)象沒有被刪除，因此我們就有了一個(gè)經(jīng)典的內(nèi)存泄漏。
一個(gè)使Example（1）安全的辦法是用一個(gè)“智能”的指針擁有這個(gè)指針，當(dāng)銷毀的時(shí)候，刪除那個(gè)被指的自動(dòng)分配的對(duì)象。因?yàn)檫@個(gè)智能指針被簡單地用為自動(dòng)對(duì)象（這就是，當(dāng)它離開它的作用域的時(shí)候自動(dòng)銷毀對(duì)象），所以它被稱作“自動(dòng)”指針。
// Example 1(b): Safe code, with auto_ptr
//
void f()
{
auto_ptr<T> pt( new T );
/*...more code...*/
} // cool: pt's destructor is called as it goes out
// of scope, and the object is deleted automatically
現(xiàn)在這段代碼將不會(huì)再T對(duì)象上發(fā)生泄漏了，不必在意這個(gè)方法是正常退出還是異常退出，因?yàn)閜t的析構(gòu)函數(shù)將總是在堆棧彈出的時(shí)候被調(diào)用。清理工作將自動(dòng)進(jìn)行。
最后，使用auto_ptr和使用內(nèi)建指針一樣地容易，如果要“收回”資源并且再次手動(dòng)管理的話，我們可以調(diào)用release()：
// Example 2: Using an auto_ptr
//
void g()
{
T* pt1 = new T;
// right now, we own the allocated object
// pass ownership to an auto_ptr
auto_ptr<T> pt2( pt1 );
// use the auto_ptr the same way
// we'd use a simple pointer
*pt2 = 12; // same as "*pt1 = 12;"
pt2->SomeFunc(); // same as "pt1->SomeFunc();"
// use get() to see the pointer value
assert( pt1 == pt2.get() );
// use release() to take back ownership
T* pt3 = pt2.release();
// delete the object ourselves, since now
// no auto_ptr owns it any more
delete pt3;
} // pt2 doesn't own any pointer, and so won't
// try to delete it... OK, no double delete
最后，我們可以使用auto_ptr的reset()方法將auto_ptr重置向另一個(gè)對(duì)象。如果auto_ptr已經(jīng)獲得一個(gè)對(duì)象，這個(gè)過程就像是它先刪除已經(jīng)擁有的對(duì)象，因此調(diào)用reset()，就像是先銷毀了auto_ptr，然后重建了一個(gè)新的并擁有該新對(duì)象：
// Example 3: Using reset()
//
void h()
{
auto_ptr<T> pt( new T(1) );
pt.reset( new T(2) );
// deletes the first T that was
// allocated with "new T(1)"
} // finally, pt goes out of scope and
// the second T is also deleted
包裝指針數(shù)據(jù)成員
同樣，auto_ptr也可以被用于安全地包裝指針數(shù)據(jù)成員。考慮下面使用Pimpl idiom（或者，編譯器防火墻）的例子：[1]
// Example 4(a): A typical Pimpl
//
// file c.h
//
class C
{
public:
C();
~C();
/*...*/
private:
class CImpl; // forward declaration
CImpl* pimpl_;
};
// file c.cpp
//
class C::CImpl { /*...*/ };
C::C() : pimpl_( new CImpl ) { }
C::~C() { delete pimpl_; }
簡單地說，就是C的私有細(xì)節(jié)被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象，藏匿于一個(gè)指針之中。該思路要求C的構(gòu)造函數(shù)負(fù)責(zé)為隱藏在類內(nèi)部的輔助“Pimpl”對(duì)象分配內(nèi)存，并且C的析構(gòu)函數(shù)負(fù)責(zé)銷毀它。使用auto_ptr，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這非常容易：
// Example 4(b): A safer Pimpl, using auto_ptr
//
// file c.h
//
class C
{
public:
C();
/*...*/
private:
class CImpl; // forward declaration
auto_ptr<CImpl> pimpl_;
};
// file c.cpp
//
class C::CImpl { /*...*/ };
C::C() : pimpl_( new CImpl ) { }
現(xiàn)在，析構(gòu)函數(shù)不需要擔(dān)心刪除pimpl_指針了，因?yàn)閍uto_ptr將自動(dòng)處理它。事實(shí)上，如果沒有其它需要顯式寫析構(gòu)函數(shù)的原因，我們完全不需要自定義析構(gòu)函數(shù)。顯然，這比手動(dòng)管理指針要容易得多，并且將對(duì)象所有權(quán)包含進(jìn)對(duì)象是一個(gè)不錯(cuò)的習(xí)慣，這正是auto_ptr所擅長的。我們將在最后再次回顧這個(gè)例子。
所有權(quán)，源，以及調(diào)用者(Sinks)
它本身很漂亮，并且做得非常好：從函數(shù)傳入或傳出auto_ptrs，是非常有用的，比如函數(shù)的參數(shù)或者返回值。
讓我們看看為什么，首先我們考慮當(dāng)拷貝auto_ptr的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么：一個(gè)auto_ptr獲得一個(gè)擁有指針的對(duì)象，并且在同一時(shí)間只允許有一個(gè)auto_ptr可以擁有這個(gè)對(duì)象。當(dāng)你拷貝一個(gè)auto_ptr的時(shí)候，你自動(dòng)將源auto_ptr的所有權(quán)，傳遞給目標(biāo)auto_ptr；如果目標(biāo)auto_ptr已經(jīng)擁有了一個(gè)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象將先被釋放。在拷貝完之后，只有目標(biāo)auto_ptr擁有指針，并且負(fù)責(zé)在合適的時(shí)間銷毀它，而源將被設(shè)置為空（null），并且不能再被當(dāng)作原有指針的代表來使用。
例如：
// Example 5: Transferring ownership from
// one auto_ptr to another
//
void f()
{
auto_ptr<T> pt1( new T );
auto_ptr<T> pt2;
pt1->DoSomething(); // OK
pt2 = pt1; // now pt2 owns the pointer,
// and pt1 does not
pt2->DoSomething(); // OK
} // as we go out of scope, pt2's destructor
// deletes the pointer, but pt1's does nothing
但是要避免陷阱再次使用已經(jīng)失去所有權(quán)的auto_ptr：
// Example 6: Never try to do work through
// a non-owning auto_ptr
//
void f()
{
auto_ptr<T> pt1( new T );
auto_ptr<T> pt2;
pt2 = pt1; // now pt2 owns the pointer, and
// pt1 does not
pt1->DoSomething();
// error! following a null pointer
}
謹(jǐn)記于心，我們現(xiàn)在看看auto_ptr如何在源和調(diào)用者之間工作。“源”這里是指一個(gè)函數(shù)，或者其它創(chuàng)建一個(gè)新資源的操作，并且通常將移交出資源的所有權(quán)。一個(gè)“調(diào)用者”函數(shù)反轉(zhuǎn)這個(gè)關(guān)系，也就是獲得已經(jīng)存在對(duì)象的所有權(quán)（并且通常還負(fù)責(zé)釋放它）。而不是有一個(gè)源和調(diào)用者，返回并且利用一個(gè)禿頭指針（譯者注：而不是使用一個(gè)局部變量來傳遞這個(gè)指針），雖然，通過一個(gè)禿頭指針來獲得一個(gè)資源通常很好：
// Example 7: Sources and sinks
//
// A creator function that builds a new
// resource and then hands off ownership.
//
auto_ptr<T> Source()
{
return auto_ptr<T>( new T );
}
// A disposal function that takes ownership
// of an existing resource and frees it.
//
void Sink( auto_ptr<T> pt )
{
}
// Sample code to exercise the above:
auto_ptr<T> pt( Source() ); // takes ownership
注意下面的微妙的變化：
-
Source()分配了一個(gè)新對(duì)象并且以一個(gè)完整安全的方式將它返回給調(diào)用者，并讓調(diào)用者成為指針的擁有著。即使調(diào)用者忽略了返回值（顯然，如果調(diào)用者忽略了返回值，你應(yīng)該從來沒有寫過代碼來刪除這個(gè)對(duì)象，對(duì)吧？），分配的對(duì)象也將被自動(dòng)安全地刪除。
在本文的最后，我將演示返回一個(gè)auto_ptr是一個(gè)好習(xí)慣。讓返回值包裹進(jìn)一些東西比如auto_ptr通常是使得函數(shù)變得強(qiáng)健的有效方式。
-
Sink()通過傳值的方式獲得對(duì)象所有權(quán)。當(dāng)執(zhí)行完Sink()的時(shí)候，當(dāng)離開作用域的時(shí)候，刪除操作將被執(zhí)行（只要Sink()沒有將所有權(quán)轉(zhuǎn)移）。上面所寫的Sink()函數(shù)實(shí)際上并沒有對(duì)參數(shù)做任何事情，因此調(diào)用“Sink(pt);”就等于寫了“pt.reset(0);”，但是大部分的Sink函數(shù)都將在釋放它之前做一些工作。
不可以做的事情，以及為什么不能做
謹(jǐn)記：千萬不要以我之前沒有提到的方式使用auto_ptrs。我已經(jīng)看見過很多程序員試著用其他方式寫auto_ptrs就像他們?cè)谑褂闷渌鼘?duì)象一樣。但問題是auto_ptr并不像其他對(duì)象。這里有些基本原則，我將把它們提出來以引起你的注意：
For auto_ptr, copies are NOT equivalent. （復(fù)制auto_ptr將與原來的不相等）
當(dāng)你試著在一般的代碼中使用auto_ptrs的時(shí)候，它將執(zhí)行拷貝，并且沒有任何提示，拷貝是不相等的（結(jié)果，它確實(shí)就是拷貝）。看下面這段代碼，這是我在C++新聞組經(jīng)常看見的：
// Example 8: Danger, Will Robinson!
//
vector< auto_ptr<T> > v;
/* ... */
sort( v.begin(), v.end() );
在標(biāo)準(zhǔn)容器中使用auto_ptrs總是不安全的。一些人可能要告訴你，他們的編譯器或者類庫能夠很好地編譯它們，而另一些人則告訴你在某一個(gè)流行的編譯器的文檔中看到這個(gè)例子，不要聽他們的。
問題是auto_ptr并不完全符合一個(gè)可以放進(jìn)容器類型的前提，因?yàn)榭截?span style="font-family: 'Courier New'" class="Code">auto_ptrs是不等價(jià)的。首先，沒有任何東西說明，vector不能決定增加并制造出“擴(kuò)展”的內(nèi)部拷貝。再次，當(dāng)你調(diào)用一個(gè)一般函數(shù)的時(shí)候，它可能會(huì)拷貝元素，就像sort()那樣，函數(shù)必須有能力假設(shè)拷貝是等價(jià)的。至少一個(gè)流行的排序拷貝“核心”的元素，如果你試著讓它與auto_ptrs一起工作的話，它將拷貝一份“核心”的auto_ptr對(duì)象（因此轉(zhuǎn)移所有權(quán)并且將所有權(quán)轉(zhuǎn)移給一個(gè)臨時(shí)對(duì)象），然后對(duì)其余的元素也采取相同的方式（從現(xiàn)有成員創(chuàng)建更多的擁有所有權(quán)的auto_ptr），當(dāng)排序完成后，核心元素將被銷毀，并且你將遇到一個(gè)問題：這組序列里至少一個(gè)auto_ptr（也就是剛才被掉包的那個(gè)核心元素）不再擁有對(duì)象所有權(quán)，而那個(gè)真實(shí)的指針已經(jīng)隨著臨時(shí)對(duì)象的銷毀而被刪除了！
于是標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)回退并希望做一些能夠幫助你避免這些行為的事情：標(biāo)準(zhǔn)的auto_ptr被故意設(shè)計(jì)成當(dāng)你希望在使用標(biāo)準(zhǔn)容器的時(shí)候使用它時(shí)打斷你（或者，至少，在大部分的標(biāo)準(zhǔn)庫實(shí)現(xiàn)中打斷你）。為了達(dá)到這個(gè)目的，標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)利用這樣一個(gè)技巧：讓auto_ptr's的拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值操作符的右值（rhs）指向非常量。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)容器的單元素insert()函數(shù)，需要一個(gè)常量作為參數(shù)，因此auto_ptrs在這里就不工作了。（譯者注：右值不能賦值給非常量）
使用const auto_ptr是一個(gè)好習(xí)慣
將一個(gè)auto_ptr設(shè)計(jì)成const auto_ptrs將不再丟失所有權(quán)：拷貝一個(gè)const auto_ptr是違法的（譯者注：沒有這樣的構(gòu)造函數(shù)），實(shí)際上你可以針對(duì)它做的唯一事情就是通過operator*()或者operator->()解引用它或者調(diào)用get()來獲得所包含的指針的值。這意味著我們有一個(gè)簡單明了的風(fēng)格來表達(dá)一個(gè)絕不丟失所有權(quán)的auto_ptr：
// Example 9: The const auto_ptr idiom
//
const auto_ptr<T> pt1( new T );
// making pt1 const guarantees that pt1 can
// never be copied to another auto_ptr, and
// so is guaranteed to never lose ownership
auto_ptr<T> pt2( pt1 ); // illegal
auto_ptr<T> pt3;
pt3 = pt1; // illegal
pt1.release(); // illegal
pt1.reset( new T ); // illegal
這就是我要說的cosnt！因此如果現(xiàn)在你要向世界證明你的auto_ptr是不會(huì)被改變并且將總是刪除其所有權(quán)，加上const就是你要做的。const auto_ptr風(fēng)格是有用的，你必須將它謹(jǐn)記于心。
auto_ptr以及異常安全
最后，auto_ptr對(duì)寫出異常安全的代碼有時(shí)候非常必要，思考下面的代碼：
// Example 10(a): Exception-safe?
//
String f()
{
String result;
result = "some value";
cout << "some output";
return result;
}
該函數(shù)有兩個(gè)可見的作用：它輸出一些內(nèi)容，并且返回一個(gè)String。關(guān)于異常安全的詳細(xì)說明超出了本文的范圍[2]，但是我們想要取得的目標(biāo)就是強(qiáng)異常安全的保障，歸結(jié)為確保函數(shù)的原子性——如果有異常，所有的作用一起發(fā)生或者都不發(fā)生。
雖然在例10(a)中的代碼非常精巧，看起來相當(dāng)接近于異常安全的代碼，但仍然有一些小的瑕疵，就像下面的客戶代碼所示：
String theName;
theName = f();
因?yàn)榻Y(jié)果通過值返回，因此String的拷貝構(gòu)造函數(shù)將被調(diào)用，而拷貝賦值操作符被調(diào)用來將結(jié)果拷貝到theName中。如果任何一個(gè)拷貝失敗了，f()就完成了所有它的工作以及所有它的任務(wù)（這很好），但是結(jié)果是無法挽回的（哎喲我的媽呀）
我們可以做的更好嗎，是否可以通過避免拷貝來避免這個(gè)問題？例如，我們可以 讓函數(shù)有一個(gè)非常量引用參數(shù)并向下面這樣返回值：
// Example 10(b): Better?
//
void f( String& result )
{
cout << "some output";
result = "some value";
}
這看起來很棒，但實(shí)際不是這樣的，返回result的賦值的函數(shù)只完成了一個(gè)功能，而將其它事情留給了我們。它仍然會(huì)出錯(cuò)。因此這個(gè)做法不可取。
解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是返回一個(gè)指向動(dòng)態(tài)分配指針的String對(duì)象，但是最好的解決方案是讓我們做的更多，返回一個(gè)指針包含在auto_ptr：
// Example 10(c): Correct (finally!)
//
auto_ptr<String> f()
{
auto_ptr<String> result = new String;
*result = "some value";
cout << "some output";
return result; // rely on transfer of ownership;
// this can't throw
}
這里是一個(gè)技巧，當(dāng)我們有效隱藏所有的工作來構(gòu)造第二個(gè)功能（返回值）當(dāng)確保它可以被安全返回給調(diào)用者并且在第一個(gè)功能（打印消息）完成的時(shí)候沒有拋出操作。我們知道一旦cout完成，返回值將成功交到調(diào)用者手中，并且無論如何都會(huì)正確清理：如果調(diào)用者接受返回值，調(diào)用者將得到這個(gè)拷貝的auto_ptr臨時(shí)對(duì)象的所有權(quán)；如果調(diào)用者沒有接受返回值，也就是忽略返回值，分配的String將在臨時(shí)auto_ptr被銷毀的時(shí)候自動(dòng)清理。這種安全擴(kuò)展的代價(jià)呢？就像我們經(jīng)常實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)異常安全一樣，強(qiáng)安全通常消耗一些效率（通常比較小）——這里指額外的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。但是當(dāng)我們?cè)谛屎驼_性之間做出選擇的話，我們通常會(huì)選擇后者！
讓我們養(yǎng)成在日常工作中使用auto_ptr的習(xí)慣。auto_ptr解決了常見的問題，并且能夠使你的代碼變得更安全和健壯，特別是它可以防止內(nèi)存泄漏以及確保強(qiáng)安全。因?yàn)樗菢?biāo)準(zhǔn)的，因此它在不同類庫和平臺(tái)之間是可移植的，因此無論你在哪里使用它，它都將是對(duì)的。
致謝
This article is drawn from material in the new book Exceptional C++: 47 engineering puzzles, programming problems, and exception-safety solutions by Herb Sutter, ? 2000 Addison Wesley Longman Inc., which contains further detailed treatments of points touched on briefly in this article, including exception safety, the Pimpl (compiler-firewall) Idiom, optimization, const-correctness, namespaces, and other C++ design and programming topics.
注釋
-
Pimpl風(fēng)格可以有效減少項(xiàng)目構(gòu)建時(shí)間，因?yàn)樗贑私有部分改變的時(shí)候，阻止客戶代碼引起廣泛的重新編譯。更多關(guān)于Pimpl風(fēng)格以及如何部署編譯器墻，參考這本Exceptional C++的條款26到30。（Addison-Wesley, 2000）
-
See the article originally published in C++ Report and available on the Effective C++ CD (Scott Meyers, Addison-Wesley, 1999) and Items 8 to 19 in Exceptional C++ (Herb Sutter, Addison-Wesley, 2000).