智能指针用于解决常规指针所带来的内存泄露、重复释放、野指针等内存问题。智能指针基于这样的事实得以发挥作用：定义在栈中的智能指针，当超出其作用域时，会自动调用它的析构函数，从而可以释放其关联的内存资源。
之前C++标准库中定义的智能指针std::auto_ptr<T>，因其设计存在缺陷，所以已不再推荐使用。C++11引入了新的智能指针：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。
一：unique_ptr
unique_ptr类似于auto_ptr。两个unique_ptr实例不能管理同一个对象。
1：类似于auto_ptr，unique_ptr也具有get成员函数，该函数返回指向被管理对象的指针；如果unique_ptr不拥有任何对象，则get返回nullptr；
2：它没有复制构造函数和赋值操作符，而具有移动构造函数和移动赋值操作符；当把源unique_ptr对象移动复制或移动赋值给目标unique_ptr对象后，源unique_ptr对象所掌握的资源的所属权，就转移给目的unique_ptr对象，而源unique_ptr对象就不再掌握资源，所以源unique_ptr对象的unique_ptr::get返回nullptr：
class X
{
int x;
public:
X(int x) : x(x) { cout << "ctor invoked: " << x << endl; }
~X() { cout << "dtor invoked: " << x << endl; }
void sayHi() const { cout << "HI: " << x << endl; }
};
int main()
{
unique_ptr<X> a(new X(2));
//unique_ptr<X> b(a);
//unique_ptr<X> c; c = a;
unique_ptr<X> d = std::move(a);
cout << a.get() << endl;
d->sayHi();
cout << "---------------
";
unique_ptr<X> e(new X(3));
unique_ptr<X> f;
f = std::move(e);
cout << e.get() << endl;
f->sayHi();
cout << "---------------
";
}
unique_ptr没有复制构造函数和复制赋值操作符，只有移动构造函数和移动赋值操作符。所以，在复制或者赋值时，需要使用std::move将对象转换为右值。如果去掉了main函数中的注释代码，则会报编译错误： error: use of deleted function…
上面代码的运行结果如下：
ctor invoked: 2 0 HI: 2 --------------- ctor invoked: 3 0 HI: 3 --------------- dtor invoked: 3 dtor invoked: 2
当超出unique_ptr的作用域时，会自动删除它指向的内存对象；
3：unique_ptr的默认行为是掌管指向使用new申请的内存的指针的所属权，并在必要情况下使用delete释放内存。unique_ptr的声明如下：
template <typename T, typename Deleter = std::default_delete<T>> class unique_ptr;
模板类std::default_delete<T>实现了一个函数对象，调用时执行delete操作，类似于下方的实现：
template <typename T>
class default_delete
{
public:
void operator()(T* obj) const
{
delete obj;
}
};
可以用自己实现的释放资源函数对象，替换默认的deleter。比如，对于使用malloc申请的资源，如果需要用unique_ptr接管的话，必须使用free释放。例子如下：
struct my_point
{
int x;
int y;
};
struct my_point_deleter
{
void operator()(my_point* p) const
{
cout << "free " << p << endl;
free(p);
}
};
void show_point(const my_point& o)
{
cout << "(" << o.x << ", " << o.y << ")" << endl;
}
int main()
{
unique_ptr<my_point, my_point_deleter> p(static_cast<my_point*>(malloc(sizeof(my_point))));
cout << "p is " << p.get() << endl;
p->x = 5;
p->y = 8;
show_point(*p);
}
运行结果如下：
p is 0x2443010 (5, 8) free 0x2443010
4：reset成员函数，用于更改unique_ptr所管理的对象，而原来所掌管的对象则被销毁。移动赋值操作A=B，A原来所掌管的对象也会被销毁：
int main()
{
unique_ptr<X> a(new X(2));
unique_ptr<X> b(new X(3));
cout << "---------------
";
a = move(b);
cout << "---------------
";
a.reset(new X(4));
cout << "---------------
";
a.reset(nullptr);
cout << "---------------
";
}
结果如下：
ctor invoked: 2 ctor invoked: 3 --------------- dtor invoked: 2 --------------- ctor invoked: 4 dtor invoked: 3 --------------- dtor invoked: 4 ---------------
5：只有非const的unique_ptr能够将其对某对象的所有权转移给其他unique_ptr。也就是说，如果a是个const unique_ptr对象，则下面的语句都是非法的：
a.reset();
b = std::move(a);
unique_ptr<X> c(std::move(a));
6：unique_ptr实现了”*” 和 “->”操作符的重载。因此，可以像使用传统指针那样，使用unique_ptr；
7：unique_ptr实现了operator bool函数。也即是说，可以直接在if()中判断，该unique_ptr是否拥有某个对象：
int main()
{
std::unique_ptr<int> ptr(new int(42));
if (ptr)
std::cout << "before reset, ptr is: " << *ptr << '
';
ptr.reset();
if (ptr)
std::cout << "after reset, ptr is: " << *ptr << '
';
else
std::cout << "after reset, ptr is null
";
}
结果如下：
before reset, ptr is: 42 after reset, ptr is null
8：C++14引入了make_unique，用于更加方便的在堆上创建对象，并将该对象交给unique_ptr对象掌管。所以，下面两种写法是等价的：
unique_ptr<my_point> point(new my_point { 6, 5 });
auto point = make_unique<my_point>(6, 5);
使用make_unique隐藏了new的调用(that is good because we do not want to have our programs with new but without delete )
9：可以将unique_ptr放到vector中。因为unique_ptr不支持复制，所以在调用push_back时，unique_ptr对象必须是个右值：
int main()
{
std::vector< std::unique_ptr<X> > vu;
vu.push_back(std::unique_ptr<X>(new X(2)));
std::unique_ptr<X> a(new X(3));
vu.push_back(std::move(a));
for(auto iter = vu.begin(); iter != vu.end(); iter++)
{
(*iter)->sayHi();
}
}
结果如下：
ctor invoked: 2 ctor invoked: 3 HI: 2 HI: 3 dtor invoked: 2 dtor invoked: 3
10：unique_ptr也支持管理动态申请的数组：
class X
{
int x;
public:
X(int x = 1) : x(x) { cout << "ctor invoked: " << x << endl; }
~X() { cout << "dtor invoked: " << x << endl; }
void sayHi() const { cout << "HI: " << x << endl; }
};
int main()
{
const int size = 3;
std::unique_ptr<X[]> xs(new X[size]);
for(int i = 0; i < size; i++)
{
xs[i].sayHi();
}
}
结果如下：
ctor invoked: 1 ctor invoked: 1 ctor invoked: 1 HI: 1 HI: 1 HI: 1 dtor invoked: 1 dtor invoked: 1 dtor invoked: 1
二：shared_ptr
shared_ptr使用引用计数，允许多个shared_ptr管理堆中的同一个对象。只有引用计数变为0时，堆中的对象才被销毁。
多个shared_ptr共享同一对象的所有权，只能是通过复制构造函数或者复制赋值操作符实现。构造shared_ptr时，如果使用的底层指针已经被其他shared_ptr所有，这是一种未定义行为。
1：shared_ptr具有复制构造函数和移动构造函数，可以使用use_count成员函数返回有多少个shared_ptr拥有同一个对象。对于移动构造函数：A(std::move(B))，之后B不再拥有任何对象。
int main()
{
std::shared_ptr<X> sx1(new X(2));
std::cout << "sx1.get is " << sx1.get() << std::endl;
std::cout << "sx1.use_count is " << sx1.use_count() << std::endl;
std::cout << "---------------------
";
std::shared_ptr<X> sx2(sx1);
std::cout << "sx2.get is " << sx2.get() << std::endl;
std::cout << "sx2.use_count is " << sx2.use_count() << std::endl;
std::cout << "---------------------
";
std::shared_ptr<X> sx3(std::move(sx1));
std::cout << "sx1.get is " << sx1.get() << std::endl;
std::cout << "sx1.use_count is " << sx1.use_count() << std::endl;
std::cout << "sx3.get is " << sx3.get() << std::endl;
std::cout << "sx3.use_count is " << sx3.use_count() << std::endl;
std::cout << "---------------------
";
}
运行结果如下：
ctor invoked: 2 sx1.get is 0x12f5010 sx1.use_count is 1 --------------------- sx2.get is 0x12f5010 sx2.use_count is 2 --------------------- sx1.get is 0 sx1.use_count is 0 sx3.get is 0x12f5010 sx3.use_count is 2 --------------------- dtor invoked: 2
2：类似于unique_ptr，shared_ptr也支持自定义deleter。
struct my_point_deleter
{
void operator()(my_point* p) const
{
cout << "free " << p << endl;
free(p);
}
};
int main()
{
std::shared_ptr<my_point> pm(static_cast<my_point*>(malloc(sizeof(my_point))),
my_point_deleter());
std::cout << "pm.get is " << pm.get() << std::endl;
pm->x = 1;
pm->y = 2;
show_point(*pm);
std::cout << "-----------------
";
}
这里构造shared_ptr对象pm时，第二个参数是my_point_deleter类对象，当需要释放shared_ptr所拥有的对象时，就会自动调用该对象的operator()函数。
结果如下：
pm.get is 0xd30010 (1, 2) ----------------- free 0xd30010
3：reset成员函数，用于更改shared_ptr所管理的对象，而原来所掌管的对象，其引用计数减1：
如果reset参数为空，则表示shared_ptr释放对源对象的拥有权；
注意，ptr不能是已经被其他shared_ptr所管理的对象，否则是未定义的；
int main()
{
std::shared_ptr<X> pm1;
std::cout << "pm1.get is " << pm1.get() << std::endl;
std::cout << "pm1.use_count is " << pm1.use_count() << std::endl;
std::cout << "-----------------
";
pm1.reset(new X);
std::cout << "pm1.get is " << pm1.get() << std::endl;
std::cout << "pm1.use_count is " << pm1.use_count() << std::endl;
pm1->sayHi();
std::cout << "-----------------
";
pm1.reset(new X(2));
std::cout << "pm1.get is " << pm1.get() << std::endl;
std::cout << "pm1.use_count is " << pm1.use_count() << std::endl;
pm1->sayHi();
std::cout << "-----------------
";
pm1.reset();
std::cout << "pm1.get is " << pm1.get() << std::endl;
std::cout << "pm1.use_count is " << pm1.use_count() << std::endl;
std::cout << "-----------------
";
return 0;
}
结果如下：
pm1.get is 0 pm1.use_count is 0 ----------------- ctor invoked: 1 pm1.get is 0xebb010 pm1.use_count is 1 HI: 1 ----------------- ctor invoked: 2 dtor invoked: 1 pm1.get is 0xebb050 pm1.use_count is 1 HI: 2 ----------------- dtor invoked: 2 pm1.get is 0 pm1.use_count is 0 -----------------
4：复制赋值操作A=B，A原来所掌管的对象的引用计数减1，而B所掌管的对象的引用计数加1，而移动赋值操作符A=B，赋值之后，B不再掌握任何对象：
int main()
{
std::shared_ptr<X> pm1(new X(2));
std::shared_ptr<X> pm2(new X(3));
pm2 = pm1;
std::cout << "pm1.get is " << pm1.get() << std::endl;
std::cout << "pm2.get is " << pm2.get() << std::endl;
std::cout << "pm1.use_count is " << pm1.use_count() << std::endl;
pm2->sayHi();
std::cout << "-----------------
";
std::shared_ptr<X> pm3;
pm3 = std::move(pm1);
std::cout << "pm1.get is " << pm1.get() << std::endl;
std::cout << "pm2.get is " << pm2.get() << std::endl;
std::cout << "pm3.get is " << pm3.get() << std::endl;
std::cout << "pm2.use_count is " << pm2.use_count() << std::endl;
pm3->sayHi();
std::cout << "-----------------
";
}
结果如下：
ctor invoked: 2 ctor invoked: 3 dtor invoked: 3 pm1.get is 0x968010 pm2.get is 0x968010 pm1.use_count is 2 HI: 2 ----------------- pm1.get is 0 pm2.get is 0x968010 pm3.get is 0x968010 pm2.use_count is 2 HI: 2 ----------------- dtor invoked: 2
5：可以将shared_ptr放到容器中。
int main()
{
std::shared_ptr<X> sx1(new X(2));
std::vector< std::shared_ptr<X> > vs;
vs.push_back(sx1);
std::cout << "sx1.get is " << sx1.get() << std::endl;
std::cout << "vs[0].get is " << vs[0].get() << std::endl;
std::cout << "sx1.use_count is " << sx1.use_count() << std::endl;
vs[0]->sayHi();
std::cout << "---------------------
";
std::shared_ptr<X> sx2(new X(3));
std::cout << "sx2.get is " << sx2.get() << std::endl;
vs.push_back(std::move(sx2));
std::cout << "sx2.get is " << sx2.get() << std::endl;
std::cout << "vs[1].get is " << vs[1].get() << std::endl;
std::cout << "vs[1].use_count is " << vs[1].use_count() << std::endl;
vs[1]->sayHi();
std::cout << "---------------------
";
}
结果如下：
ctor invoked: 2 sx1.get is 0x1abf010 vs[0].get is 0x1abf010 sx1.use_count is 2 HI: 2 --------------------- ctor invoked: 3 sx2.get is 0x1abf070 sx2.get is 0 vs[1].get is 0x1abf070 vs[1].use_count is 1 HI: 3 --------------------- dtor invoked: 3 dtor invoked: 2
6：shared_ptr实现了operator bool函数。也即是说，可以直接在if()中判断该shared_ptr是否拥有某个对象：
int main()
{
std::unique_ptr<int> ptr(new int(42));
if (ptr)
std::cout << "before reset, ptr is: " << *ptr << '
';
ptr.reset();
if (ptr)
std::cout << "after reset, ptr is: " << *ptr << '
';
else
std::cout << "after reset, ptr is null
";
}
结果如下：
before reset, ptr is: 42 after reset, ptr is null
7：推荐使用make_shared创建shared_ptr，而不是使用shared_ptr的构造函数。
一般情况下，shared_ptr内部会持有两个指针，一个是指向被管理对象的指针；另一个是指向控制块的指针。所谓控制块，就是记录引用计数等属性的数据结构。
当使用make_shared创建shared_ptr时，被管理对象以及控制块的内存是一起申请的；而用构造函数创建的shared_ptr，被管理对象和控制块的内存是分开申请的。所以，make_shared的效率更高一些。
make_shared主要做三件事：
申请被管理对象以及引用计数的内存；调用适当的构造函数初始化对象；返回一个shared_ptr。
例子如下：
int main()
{
std::shared_ptr<int> ptrint = std::make_shared<int>(2);
std::shared_ptr<X> ptrX = std::make_shared<X>(3);
cout << "*ptrint is " << *ptrint << endl;
ptrX->sayHi();
}
结果如下：
ctor invoked: 3 *ptrint is 2 HI: 3 dtor invoked: 3
三：weak_ptr
shared_ptr的缺点在于不适用与循环引用的情况，这也是引入std::weak_ptr的原因。所谓循环引用，例子如下：
struct Child;
struct Parent
{
shared_ptr<Child> child;
~Parent() { cout << "Bye Parent" << endl; }
void hi() const { cout << "Hello" << endl; }
};
struct Child
{
shared_ptr<Parent> parent;
~Child() { cout << "Bye Child" << endl; }
};
int main()
{
auto parent = make_shared<Parent>();
auto child = make_shared<Child>();
parent->child = child;
child->parent = parent;
child->parent->hi();
}
上面代码的运行结果，只打印出”Hello”，而并没有打印出"Bye Parent"或"Bye Child"，说明Parent和Child的析构函数并没有调用到。这是因为Parent和Child对象内部，具有各自指向对方的shared_ptr，加上parent和child这两个shared_ptr，说明每个对象的引用计数都是2。当程序退出时，即使parent和child被销毁，也仅仅是导致引用计数变为了1，因此并未销毁Parent和Child对象。
这种情况下，就可以使用weak_ptr来解决这种问题：
struct Child;
struct Parent
{
shared_ptr<Child> child;
~Parent() { cout << "Bye Parent" << endl; }
void hi() const { cout << "Hello" << endl; }
};
struct Child
{
weak_ptr<Parent> parent;
~Child() { cout << "Bye Child" << endl; }
};
int main()
{
auto parent = make_shared<Parent>();
auto child = make_shared<Child>();
parent->child = child;
child->parent = parent;
child->parent.lock()->hi();
}
上面的代码可以得到正确的结果：
Hello Bye Parent Bye Child
1：weak_ptr是对shared_ptr的封装，但是它不拥有被指向的对象，因而也就不会导致引用计数的变化。
可以使用shared_ptr对象构造weak_ptr，或对其进行赋值。表示该weak_ptr“共享”shared_ptr所拥有的对象。如果shared_ptr为空（不拥有任何对象），则该weak_ptr也是空的。
2：weak_ptr::use_count函数，返回当前有多少个shared_ptr实例共享被管理对象。
weak_ptr::expired函数检查被管理对象是否已经被销毁了，如果已经被销毁，则该函数返回true，否则返回false。expired函数要比use_count更快一些。例子如下：
struct Foo {};
int main()
{
std::weak_ptr<Foo> w_ptr;
{
auto ptr = std::make_shared<Foo>();
w_ptr = ptr;
std::cout << "w_ptr.use_count() inside scope: " << w_ptr.use_count() << '
';
}
std::cout << "w_ptr.use_count() out of scope: " << w_ptr.use_count() << '
';
std::cout << "w_ptr.expired() out of scope: " << std::boolalpha << w_ptr.expired() << '
';
}
结果如下：
w_ptr.use_count() inside scope: 1 w_ptr.use_count() out of scope: 0 w_ptr.expired() out of scope: true
3：weak_ptr所拥有的，是对shared_ptr所管理对象的弱引用，它必须临时转换为shared_ptr之后，才能临时性的访问引用对象。weak_ptr没有实现->操作符，相反，它实现了lock函数，该函数创建临时的shared_ptr，从而增加了它指向对象的引用计数，避免该对象被释放。
如果weak_ptr没有引用任何对象，则lock返回的shared_ptr对象也不引用任何对象，否则，lock返回的shared_ptr增加所引用对象的引用计数。
void observe(std::weak_ptr<int> weak)
{
if (auto observe = weak.lock()) {
std::cout << " observe() able to lock weak_ptr<>, value=" << *observe << "
";
} else {
std::cout << " observe() unable to lock weak_ptr<>
";
}
}
int main()
{
std::weak_ptr<int> weak;
std::cout << "weak_ptr<> not yet initialized
";
observe(weak);
{
auto shared = std::make_shared<int>(42);
weak = shared;
std::cout << "weak_ptr<> initialized with shared_ptr.
";
observe(weak);
}
std::cout << "shared_ptr<> has been destructed due to scope exit.
";
observe(weak);
}
上面的代码中，首先构造一个空的weak_ptr对象weak，因此在observe函数中，weak_ptr::lock返回的shared_ptr也是空的；接下来在嵌套作用域中，首先构造了一个指向int类型的shared_ptr，然后用该shared_ptr对weak_ptr进行赋值，这样在observe函数中，weak_ptr::lock返回的shared_ptr也就临时拥有了该int类型对象；嵌套作用域结束后，其中的shared_ptr就被销毁了，weak又再次为空，所以observe函数中，weak_ptr::lock返回的shared_ptr又是空的了。结果如下：
weak_ptr<> not yet initialized
observe() unable to lock weak_ptr<>
weak_ptr<> initialized with shared_ptr.
observe() able to lock weak_ptr<>, value=42
shared_ptr<> has been destructed due to scope exit.
observe() unable to lock weak_ptr<>
四：shared_ptr中的控制结构
In a typical implementation, std::shared_ptr holds only two pointers:
the stored pointer (one returned by get());
a pointer to control block.
The control block is a dynamically-allocated object that holds:
either a pointer to the managed object or the managed object itself;
the deleter (type-erased);
the allocator (type-erased);
the number of shared_ptrs that own the managed object;
the number of weak_ptrs that refer to the managed object.
shared_ptr中包含两个指针，一个指向被管理的对象（也就是get()的返回值），另一个指向控制块。
控制块中包含：指向被管理对象的指针；deleter和allocator；引用计数。比如，shared_ptr<Foo> 的数据结构如下图所示，其中 deleter 和 allocator 是可选的：
The pointer held by the shared_ptr directly is the one returned by get(), while the pointer/object held by the control block is the one that will be deleted when the number of shared owners reaches zero. These pointers are not necessarily equal.
shared_ptr持有的指向被管理对象的指针，就是get()的返回值；而控制块中持有的指针，是当引用计数为0时，会被delete的指针，这两个指针的类型不一定相同，只要它们之间存在隐式转换。
这是 shared_ptr 的一大功能。分 3 点来说：
1: 无需虚析构
假设base 是 derived 的基类，但是 base 和 derived 都没有虚析构。
shared_ptr<derived > sp1(new derived ); // 控制块中指针的类型是 derived *
shared_ptr<base > sp2 = sp1; // 可以赋值，自动向上转型（up-cast）
sp1.reset(); // 这时 derived 对象的引用计数降为 1
此后 sp2 仍然能安全地管理 derived 对象的生命期，并安全完整地释放 derived ，因为其控制块记住了 derived 的实际类型。具体代码如下：
class base
{
public:
base() {cout << "base ctor" << endl;}
~base() {cout << "base dtor" << endl;}
};
class derived:public base
{
public:
derived() {cout << "derived ctor" << endl;}
~derived() {cout << "derived dtor" << endl;}
};
int main()
{
derived *pd = new derived;
base *pb = pd;
delete pb;
cout << "---------------
";
shared_ptr<derived> spd(new derived);
shared_ptr<base> spb = spd;
spd.reset();
}
对于原始指针而言，将指向derived的指针pd赋值给指向base的指针pb，在delete pb时，只会调用base的析构函数，而不会调用derived的析构函数。
而对于shared_ptr而言，使用指向derived的shared_ptr<derived> spd，初始化指向base的shared_ptr<base> spb，当超出作用域时，spb可以完整的释放 derived ，因为其控制块记住了 derived 的实际类型。
代码结果如下：
base ctor derived ctor base dtor --------------- base ctor derived ctor derived dtor base dtor
2：shared_ptr<void> 可以指向并安全地管理（析构或防止析构）任何对象；
shared_ptr<derived> sp1(new derived); // 控制块中指针的类型是 derived*
shared_ptr<void> sp2 = sp1; // 可以赋值，derived* 向 void* 自动转型
sp1.reset(); // 这时 derived对象的引用计数降为 1
此后 sp2 仍然能安全地管理 derived对象的生命期，并安全完整地释放 derived，不会出现 delete void* 的情况，因为 delete 的是控制块中的指针，不是 sp2.get()的返回值。
具体代码如下：
derived *pd = new derived; void *pv = pd; delete pv; cout << "--------------- "; shared_ptr<derived> spd(new derived); shared_ptr<void> spv = spd; spd.reset();
对于原始指针而言，将指向derived的指针pd赋值给void类型的指针pv，在delete pv时，GCC会报编译警告，并且，实际运行时没有任何作用；
warning: deleting ‘void*’ is undefined [enabled by default]
而对于shared_ptr而言，使用指向derived的shared_ptr<derived> spd，初始化指向void的shared_ptr<void> spv，当超出作用域时，spv可以完整的释放 derived ，因为其控制块记住了 derived 的实际类型。
代码结果如下：
base ctor derived ctor --------------- base ctor derived ctor derived dtor base dtor
3. 多继承。
假设 base1 是 derived的多个基类之一，那么：
shared_ptr<derived> sp1(new derived);
shared_ptr<base1 > sp2 = sp1; //这时 sp1.ptr 和 sp2.ptr 可能指向不同的地址，因为
//base1 subobject 在 derived object 中的 offset 可能不为0。
sp1.reset(); // 此时 derived对象的引用计数降为 1
但是 sp2 仍然能安全地管理 derived对象的生命期，并安全完整地释放 derived，因为 delete 的不是 base1 *，而是原来的 derived*。换句话说，sp2中和控制块中的指针可能具有不同的值（当然它们的类型也不同）。
陈硕 http://blog.csdn.net/solstice/article/details/8547547
参考：
http://en.cppreference.com/w/cpp/memory
https://oopscenities.net/2013/04/09/smart-pointers-part-2-unique_ptr-2/