1. 為什么需要智能指針？
簡單的說，智能指針是為了實現類似于Java中的垃圾回收機制。Java的垃圾回收機制使程序員從繁雜的內存管理任務中徹底的解脫出來，在申請使用一塊內存區域之后，無需去關注應該何時何地釋放內存，Java將會自動幫助回收。但是出于效率和其他原因（可能C++設計者不屑于這種傻瓜氏的編程方式），C++本身并沒有這樣的功能，其繁雜且易出錯的內存管理也一直為廣大程序員所詬病。
更進一步地說，智能指針的出現是為了滿足管理類中指針成員的需要。包含指針成員的類需要特別注意復制控制和賦值操作，原因是復制指針時只復制指針中的地址，而不會復制指針指向的對象。當類的實例在析構的時候，可能會導致垂懸指針問題。
管理類中指針成員的方法一般有兩種方式：一種是采用值型類，這種類是給指針成員提供值語義（value semantics），當復制該值型對象時，會得到一個不同的新副本。這種方式典型的應用是string類。另外一種方式就是智能指針，實現這種方式的指針所指向的對象是共享的。
2. 智能指針的實現概述
智能指針(smart pointer)的一種通用實現技術是使用引用計數(reference count)。智能指針類將一個計數器與類指向的對象相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。
每次創建類的新對象時，初始化指針并將引用計數置為1；當對象作為另一對象的副本而創建時，拷貝構造函數拷貝指針并增加與之相應的引用計數；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左操作數所指對象的引用計數（如果引用計數為減至0，則刪除對象），并增加右操作數所指對象的引用計數；調用析構函數時，構造函數減少引用計數（如果引用計數減至0，則刪除基礎對象）。
實現智能指針有兩種經典策略：一是引入輔助類，二是使用句柄類。
3. 實現方式1：引入輔助類
這種方式定義一個單獨的具體類（RefPtr）來封裝指針和相應的引用計數。
class Point //基礎對象類
{
public:
Point(int xVal = 0, int yVal = 0):x(xVal),y(yVal) { }
int getX() const { return x; }
int getY() const { return y; }
void setX(int xVal) { x = xVal; }
void setY(int yVal) { y = yVal; }
private:
int x,y;
};
class RefPtr //輔助類
{ //該類成員訪問權限全部為private，因為不想讓用戶直接使用該類
friend class SmartPtr; //定義智能指針類為友元，因為智能指針類需要直接操縱輔助類
RefPtr(Point *ptr):p(ptr), count(1) { }
~RefPtr() { delete p; }
int count; //引用計數
Point *p; //基礎對象指針
};
class SmartPtr //智能指針類
{
public:
SmartPtr(Point *ptr):rp(new RefPtr(ptr)) { } //構造函數
SmartPtr(const SmartPtr &sp):rp(sp.rp) { ++rp->count; } //復制構造函數
SmartPtr& operator=(const SmartPtr& rhs) { //重載賦值操作符
++rhs.rp->count; //首先將右操作數引用計數加1，
if(--rp->count == 0) //然后將引用計數減1，可以應對自賦值
delete rp;
rp = rhs.rp;
return *this;
}
~SmartPtr() { //析構函數
if(--rp->count == 0) //當引用計數減為0時，刪除輔助類對象指針，從而刪除基礎對象
delete rp;
}
private:
RefPtr *rp; //輔助類對象指針
};
int main()
{
Point *p1 = new Point(10, 8);
SmartPtr sp1(p1);
SmartPtr sp2(sp1);
Point *p2 = new Point(5, 5);
SmartPtr sp3(p2);
sp3 = sp1;
return 0;
}
使用該方式的內存結構圖如下：
4. 實現方式2：使用句柄類
為了避免上面方案中每個使用指針的類自己去控制引用計數，可以用一個類把指針封裝起來。封裝好后，這個類對象可以出現在用戶類使用指針的任何地方，表現為一個指針的行為。我們可以像指針一樣使用它，而不用擔心普通成員指針所帶來的問題，我們把這樣的類叫句柄類。在封裝句柄類時，需要申請一個動態分配的引用計數空間，指針與引用計數分開存儲。實現示例如下：
class Point //基礎對象類
{
public:
Point(int xVal = 0, int yVal = 0):x(xVal),y(yVal) { }
int getX() const { return x; }
int getY() const { return y; }
void setX(int xVal) { x = xVal; }
void setY(int yVal) { y = yVal; }
public:
virtual Point* clone() const { //虛函數，為了實現讓句柄類在不知道對象的確切類型的情況下分配已知對象的新副本
return new Point(*this);
}
private:
int x,y;
};
class D3Point : public Point //派生類
{
public:
D3Point(int xVal, int yVal, int zVal):Point(xVal, yVal), z(zVal) { }
int getZ() const { return z; }
void setZ(int zVal) { z = zVal; }
public:
D3Point* clone() const { //虛函數，為了實現讓句柄類在不知道對象的確切類型的情況下分配已知對象的新副本
return new D3Point(*this);
}
private:
int z;
};
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(Point *ptr = 0):p(ptr), count(new int(1)) { } //構造函數
SmartPtr(Point &point):p(point.clone()), count(new int(1)) { } //構造函數
SmartPtr(const SmartPtr &sp):p(sp.p), count(sp.count) { ++*count; } //復制構造函數
SmartPtr& operator=(const SmartPtr &sp) { //重載賦值操作符
++*sp.count; //首先將右操作數引用計數加1，
decr_use(); //然后將引用計數減1，可以應對自賦值
p = sp.p;
count = sp.count;
return *this;
}
~SmartPtr() { //析構函數
decr_use();
}
public: //一般情況下不會實現這兩個操作符，因為我們不希望用戶直接操縱基礎對象指針
const Point* operator->() const {
if(p) return p;
else throw logic_error("Unbound Point");
}
const Point& operator*() const {
if(p) return *p;
else throw logic_error("Unbound Point");
}
private:
void decr_use() {
if(--*count == 0)
{
delete p;
delete count;
}
}
private:
Point *p; //基礎對象指針
int *count; //指向引用計數的指針
};
int main()
{
Point *p1 = new Point(10, 8);
SmartPtr sp1(p1);
SmartPtr sp2(sp1);
D3Point *p2 = new D3Point(5, 5, 0);
SmartPtr sp3(p2);
return 0;
}
使用該方式的內存結構圖如下：
