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Como saber qual o tipo de ponteiro inteligente para usar?

E qual a diferença entre eles?

Exemplo:

std::unique_ptr<MinhaClasse> mClasse(new MinhaClasse)
std::shared_ptr<MinhaClasse> mClasse(new MinhaClasse)
std::auto_ptr<MinhaClasse> mClasse(new MinhaClasse)
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O auto_ptr foi marcado como obsoleto no C++11 e removido no C++17.

unique_ptr e shared_ptr são complementares.

O unique_ptr só permite que um ponteiro por vez aponte para o recurso administrado (i.e., você não pode copiar o ponteiro):

unique_ptr<T> myPtr(new MinhaClasse); // Ok
unique_ptr<T> myOtherPtr = myPtr; // Erro: Não pode copiar um unique_ptr

Já um shared_ptr pode ser compartilhado, internamente ele usa um contador de referências e só destroi o recurso quando o último ponteiro é destruído.

shared_ptr<T> myPtr(new MinhaClasse); // Ok
shared_ptr<T> myOtherPtr = myPtr; // Dois ponteiros para o mesmo recurso

Fonte: SOen - Differences between unique_ptr and shared_ptr [duplicate]

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Qual a diferença entre eles?

Cada um dos ponteiro inteligente fornece uma variação das regras de posse do recurso sendo manipulado. Por exemplo, um ponteiro inteligente que tem posse sem compartilhamento manipula o recurso de um modo que nenhum outro ponteiro inteligente possa ter posse compartilhada do mesmo recurso. Já ponteiros inteligentes com posse compartilhada permitem que mais de um ponteiro inteligente manipule o mesmo recurso ao mesmo tempo.

Nota: irei omitir as vantagens de um ponteiro inteligente sobre um ponteiro primitivo, já que essa discussão não cabe nessa thread.

Vamos as diferenças:

1. std::unique_ptr: Posse única

Um std::unique_ptr gerencia um recurso através de um ponteiro e descarta desse recurso quando a instância do std::unique_ptr sai de escopo (ou quando .reset() é chamado.)

Esse smart pointer implementa as regras de posse única. Isto é, não é possível copiar um std::unique_ptr, assim fazendo com que o recurso mantenha-se único ao std::unique_ptr original. Você pode, entretanto, transferir a posse desse recurso para outro std::unique_ptr, deixando o smart pointer original vazio (ou seja, sem um recurso para gerenciar.)

Por exemplo:

auto p1 = std::make_unique<int>(42); // `std::make_unique` é C++14.
//std::unique_ptr<int> p2 = p1; // Errado: não é possível copiar um `std::unique_ptr`.
std::unique_ptr<int> p3 = std::move(p1); // Ok: posse do recurso foi transferida.

No exemplo acima, a variável p1 é um std::unique_ptr<int>, que gerencia um ponteiro de int pra uma memória dinâmica.

Na segunda linha (comentada), tentar copiar um std::unique_ptr é inválido e o compilador reclamará (i.e. o código não irá compilar). Isso é proposital: o copy-constructor do std::unique_ptr é implicitamente declarado como deletado.

Já na terceira linha, em vez de uma cópia, temos a transferência da posse do ponteiro. Ao chamar std::move com a variável p1, estamos dizendo que " p1 pode ser movido, ou seja, seus recursos podem ser transferidos". Isso é importante, pois agora é o move-constructor que será chamado. Ele irá copiar o ponteiro gerenciado por p1 e anulá-lo em seguida. O código seguinte demonstra esse efeito:

assert(p3.get() != nullptr); // `p3` toma posse do recurso gerenciado por `p1`.
assert(*p3 == 42);
assert(p1.get() == nullptr); // `p1` agora não gerencia recurso algum.

2. std::shared_ptr: Posse compartilhada

Um std::shared_ptr também gerencia um recurso através de um ponteiro, com a diferença de que instâncias de std::shared_ptr podem ser copiadas. Chamamos isso de posse compartilhada. Esse smart pointer só descarta do recurso se ele for o único que está em posse do mesmo.

Quando acontece uma cópia desse smart pointer, um contador de referências (i.e. o número de smart pointers compartilhando o mesmo recurso) é incrementado. Quando um dos smart pointers sai de escopo, ou .reset() é chamado nele, esse contador é decrementado, mas o recurso continua vivo. O recurso só morre quando a contagem de posses compartilhadas chega a zero.

Por exemplo:

{
  auto s1 = std::make_shared<int>(42);

  {
    // Ok: a cópia significa compartilhamento do mesmo recurso. Contador incrementa.
    std::shared_ptr<int> s2 = s1;
  } // s2 sai de escopo e o contador decrementa.

} // s1 sai de escopo, contador decrementa e descarta o recurso.

Uma funcionalidade que std::shared_ptr tem é de poder compartilhar um mesmo recurso, porém apontar para um lugar totalmente diferente. Esse é o aliasing constructor. Ele permite que possamos construir um std::shared_ptr que compartilha posse com um outro std::shared_ptr, porém tendo um valor de ponteiro diferente:

struct S
{
  int i;
  float f;
  S(int i, float f) : i(i), f(f) {}
};

auto s = std::make_shared<S>(42, 3.14f);

// Esses dois `shared_ptr`s seguintes compartilham o mesmo
// recurso do `s`, só que eles apontam pra lugares diferentes.
std::shared_ptr<int> si(s, &s->i);
std::shared_ptr<float> sf(s, &s->f);

// Ao de-referenciá-los, acessamos os membros do `s`.
assert(*si == 42);
assert(*sf == 3.14f);

Como a posse ainda é do mesmo recurso, o contador de referências funciona igual. Ou seja, esse S só vai ser descartado quando todos os std:shared_ptrs soltarem a posse.

3. std::weak_ptr: Posse compartilhada fraca

Ainda temos o ponteiro inteligente std::weak_ptr. Esse aqui anda de mãos dadas com o std::shared_ptr. Um std::weak_ptr é um smart pointer que mantém uma referência sem posse de um recurso gerenciado por um std::shared_ptr.

A ideia do std::weak_ptr é implementar uma posse temporária do recurso de um std::shared_ptr. Ele observa esse recurso sem interferir na vida dele. Para acessá-lo, esse std::weak_ptr é convertido pra um std::shared_ptr pra poder ter uma posse temporária do recurso. Isso é útil para quando você quiser acessar um recurso apenas se ele estiver disponível.

4. std::observer_ptr: Nenhuma posse (library fundamentals TS v2)

O ponteiro burro std::observer_ptr segura um ponteiro primitivo sem posse alguma do recurso desse ponteiro. Ele é só um observador e não é responsável pelo gerenciamento do recurso.

std::observer_ptr não existe em nenhuma revisão anterior ou em C++17. Ele faz parte da proposta library fundamentals TS v2 e talvez pode ser adicionado em C++20.

Como saber qual o tipo de ponteiro inteligente usar?

Quando você tem um recurso e só quer que ele seja gerenciado automaticamente (i.e. não existe nenhum outro requerimento não-trivial e só quer ter seu tempo de vida manipulado automaticamente), std::unique_ptr então é suficiente. A maioria dos casos se encaixam aqui. E, realmente, usar new e delete em códigos normais é desencorajado, sendo recomendado usar std::unique_ptr no lugar.

Para recursos com necessidades especiais, como recursos usados entre várias threads, então std::shared_ptr servirá muito bem, já que seu propósito principal é tornar seguro o compartilhamento de recursos entre códigos concorrentes. Lembre-se: std::shared_ptr tem um custo por essa segurança. O seu contador de referências é atômico1, tornando cópias mais caras (lentas). Se você precisa compartilhar a posse de um recurso em um código não-concorrente ou não-paralelo, aconselho aderir a outros ponteiros inteligentes.

std::weak_ptr é útil para impedir referências circulares entre std::shared_ptrs. Pode acontecer casos em que uma classe Foo pode ter posse de uma classe Bar, e ao mesmo tempo Bar ter posse sobre Foo. Nessa situação, um mantém o outro vivo, o contador nunca chega a zero e ninguém é descartado no fim. Aí acontece vazamento de memória, já que os recursos não são liberados. Um std::weak_ptr quebra esse ciclo, já que você só tem posse do recurso depois de acessá-lo (e essa posse é temporária).

Um ponteiro como std::observer_ptr não tem uma utilidade aparente a primeira vista. Porém, seu único propósito é ser uma alternativa para ponteiros primitivos que são usados para o mesmo propósito: apenas observar um recurso sem ter posse ou responsabilidade alguma sobre o mesmo. Ele é um tipo vocabulário e serve apenas para mostrar a intenção do ponteiro sem precisar analisar a fundo o código.

Temos ainda mais um ponteiro inteligente std::atomic_shared_ptr sendo proposto para C++ (Concurrency TS). Um std::atomic_shared_ptr é apenas um std::shared_ptr com uma interface melhor que as funções livres pra fazer operações atômicas com o recurso em posse.


1 Dependendo da implementação, a operação de incrementar/decrementar o contador não é atômica se o programa não fazer uso de threads (i.e. não compilar com -pthread). Mas não assuma que esse é o caso para todas as implementações.

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Complementando a resposta do Anthony Accioly que já responde bem o perguntado, note que o fato dos ponteiros serem inteligentes não quer dizer que não precise ter alguma coordenação sua no uso deles. C++, ao contrário de Rusto, por exemplo, não controla o tempo de vida do objeto no momento da compilação e se você chamar uma função que mate um objeto e tentar usá-lo depois de chamar essa função pode ter problemas. Você ainda precisa ter controle do tempo de vida objeto, só não precisa se preocupar tanto quanto com ponteiros brutos. É muito mais difícil errar sem querer.

O unique_ptr é sempre o preferido porque ele tem abstração zero, ou seja, não consome memória, nem tempo de processamento. Só quando realmente precisa de compartilhamento do objeto é que deve optar pelo shared_ptr que tem custo de memória e processamento, pesado se em uso concorrente. É possível transformar um objeto unique_ptr em shared_ptr, o contrário com limitação.

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