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Item 18：以 std::unique_ptr 管理專屬所有權資源 (Use std::unique_ptr for Exclusive-Ownership Resource Management)

#cpp #smart-pointers #unique-ptr #concept

Overview Table

面向 重點
語意 exclusive ownership（專屬所有權）：非 null 的 std::unique_ptr 永遠擁有它指向的資源
大小/速度 預設（用 delete）與 raw pointer 同大小、同指令，適用於記憶體與時間都吃緊的場合
複製/移動 move-only：不可複製；move 會轉移所有權，來源指標被設為 null
銷毀方式 預設對內部 raw pointer 施加 delete；可在建構時指定 custom deleter
custom deleter 代價 deleter 型別是 std::unique_ptr 型別的一部分；有狀態的 deleter 或 function pointer 會增加物件大小
典型用途 工廠函式回傳型別、Pimpl Idiom（見 Item 22）
兩種形式 std::unique_ptr<T>（單一物件，有 */-> 無 []）與 std::unique_ptr<T[]>（陣列，有 [] 無 */->）
轉型 可輕鬆且高效地轉成 std::shared_ptr，故是工廠函式的最佳回傳型別
取代對象 std::auto_ptr（C++98 遺物，已 deprecated，用複製冒充移動）——除非被迫用 C++98 編譯，一律改用 std::unique_ptr

專屬所有權與 move-only 語意

auto p1 = std::make_unique<Widget>();  // p1 擁有 Widget
// auto p2 = p1;                       // 錯誤！unique_ptr 不可複製
auto p2 = std::move(p1);               // OK：所有權轉移給 p2，p1 變成 null

所有權遷移鏈（工廠 → 容器 → 資料成員 → 解構）：

makeInvestment()          std::move            std::move
  回傳 unique_ptr  ───────►  容器元素  ───────►  物件的資料成員
        │                       │                     │
        └── 每一步來源都設為 null，永遠只有一個擁有者 ──┘
                                                      │
                                            物件解構 ──► 成員 unique_ptr
                                                        解構 ──► 資源被銷毀

即使因例外、提早 return 或 break 中斷控制流，擁有資源的 std::unique_ptr 終究會呼叫解構子，資源必被釋放。

「解構子一定會被呼叫」的例外

少數異常終止情境下區域物件不會被解構：例外傳出執行緒的主函式（如 main）、違反 noexcept 規格（見 04-Moving-To-Modern-Cpp/08-Noexcept），或呼叫 std::abort / exit 類函式（std::_Exit、std::exit、std::quick_exit）時。

工廠函式回傳型別與 custom deleter

工廠函式在 heap 上建立階層物件並把銷毀責任交給呼叫者，與 std::unique_ptr 完美契合：

class Investment { public: virtual ~Investment(); /* … */ };  // 基底類別
class Stock:      public Investment { /* … */ };
class Bond:       public Investment { /* … */ };
class RealEstate: public Investment { /* … */ };

auto delInvmt = [](Investment* pInvestment)   // custom deleter：
                {                             // 先記 log 再 delete
                  makeLogEntry(pInvestment);
                  delete pInvestment;
                };

template<typename... Ts>
std::unique_ptr<Investment, decltype(delInvmt)>   // deleter 型別是
makeInvestment(Ts&&... params)                    // unique_ptr 型別的一部分
{
  std::unique_ptr<Investment, decltype(delInvmt)>
    pInv(nullptr, delInvmt);                  // 先建立 null 指標並綁定 deleter

  if ( /* 應建立 Stock */ )
    pInv.reset(new Stockforward<Ts>(params)...);   // 完美轉發參數
  else if ( /* 應建立 Bond */ )
    pInv.reset(new Bondforward<Ts>(params)...);
  else if ( /* 應建立 RealEstate */ )
    pInv.reset(new RealEstateforward<Ts>(params)...);

  return pInv;   // 呼叫者用 auto 接收，完全不需知道刪除細節
}

實作要點：

要點 說明
deleter 型別入型別 custom deleter 的型別必須作為 std::unique_ptr 的第二個模板引數（用 decltype(delInvmt) 取得，見 02-Deducing-Types/03-Decltype）
為何用 reset raw pointer 不能隱式轉換成 std::unique_ptr（直接指派 new 的結果不會編譯），需用 reset 讓 pInv 接管所有權
std::forward 每次 new 都完美轉發呼叫者提供的參數（見 Item 25）
virtual destructor deleter 以 Investment* 刪除衍生類別物件 → 基底類別必須有 virtual 解構子，否則是 undefined behavior
C++14 簡化 函式回傳型別推導讓 auto makeInvestment(Ts&&... params) 可把 deleter lambda 整個封裝進函式內

custom deleter 對大小的影響

「std::unique_ptr 與 raw pointer 同大小」只在預設 deleter（delete） 下成立：

deleter 形式 對 std::unique_ptr 大小的影響
預設 delete 與 raw pointer 相同（一個 word）
無捕獲 lambda（stateless function object） 零額外開銷——首選寫法
function pointer 從一個 word 變兩個 word
有狀態的 function object（如有捕獲的 lambda） 依儲存的狀態多寡而增大，可能顯著膨脹
Tip

deleter 能寫成函式也能寫成無捕獲 lambda 時，優先用 lambda：更高效（無大小懲罰）。若 custom deleter 讓 std::unique_ptr 大得無法接受，通常代表設計需要修改。

對比 std::shared_ptr

std::shared_ptr 的 deleter 不屬於其型別，也不改變其大小（固定兩個指標大小）；這是兩者 API 設計的關鍵差異（見 05-Smart-Pointers/02-Shared-Ptr）。

陣列形式與轉換為 shared_ptr

std::shared_ptr<Investment> sp =   // std::unique_ptr 轉換成
  makeInvestment( arguments );     // std::shared_ptr，簡單且高效

工廠函式無法預知呼叫者要專屬還是共享所有權；回傳 std::unique_ptr 提供最高效的智慧指標，又不妨礙呼叫者升級為更有彈性的 std::shared_ptr（反向轉換不存在）。

Exam/Test Patterns

情境關鍵字 答案
預設 std::unique_ptr 的大小與速度 與 raw pointer 同大小、同指令（僅限預設 deleter）
複製 std::unique_ptr 不能編譯——move-only 型別
move 後的來源 std::unique_ptr 被設為 null
把 new 的結果指派給 std::unique_ptr 不能編譯（禁止 raw → smart 隱式轉換）；用建構子或 reset
custom deleter 放哪裡 std::unique_ptr 的第二個模板引數（型別的一部分）
function pointer 當 deleter 大小從一個 word 增為兩個 word
無捕獲 lambda 當 deleter 無大小懲罰，優於函式指標
deleter 以基底指標刪除衍生物件 基底類別需要 virtual destructor，否則 UB
工廠函式該回傳哪種智慧指標 std::unique_ptr（可再轉 std::shared_ptr，反向不行）
unique_ptr<T[]> 何時合理 接手 C-like API 回傳的 heap 陣列；否則用 std::array/std::vector/std::string
std::auto_ptr C++98 deprecated 遺物，複製冒充移動、不能放容器；一律改用 std::unique_ptr
unique_ptr 常見兩大用途 工廠函式回傳型別、Pimpl Idiom