本文探討一下智能指針和GOF設計模式的關系，如果按照設計模式的背后思想來分析，可以發現圍繞智能指針的設計和實現有設計模式的一些思想體現。當然，它們也不是嚴格意義上面向對象的設計模式，畢竟它們沒有那么分明的類層次體系，和GOF經典設計模式在外在形式上有所差別，重點是理解設計模式的思想在它們身上的體現，以及怎樣幫助它們實現意圖的。

限于篇幅，分成了幾篇文章來介紹，先從對象的創建開始。

1、工廠模式

工廠模式是把創建對象和使用對象的職責分離了，它們可以控制對象的創建過程，封裝了創建細節，讓用戶不再關心具體對象的創建過程。

C++標準庫提供了一些輔助函數和輔助類來創建智能指針對象，它們都是工廠方法或者工廠類。創建unique_ptr和shared_ptr除了使用常規的構造函數之外，還提供了三個工廠方法：make_shared()、make_unique()和allocate_shared()，它們都是簡單工廠方法；此外，為了能夠從一個shared_ptr對象的內部，通過this指針創建一個shared_ptr對象，工廠類enable_shared_from_this<T>還提供了成員函數shared_from_this()作為工廠方法。

那么，使用工廠模式創建智能指針對象有什么好處呢？

首先，通過工廠方法可以給創建過程起一個富有表達力、自解釋的名稱，能有效地幫助程序員容易使用，甚至無需提供閱讀文檔接口，而類的構造函數必須和類名完全一樣，無法能夠見文知意。make_shared()和make_unique()，一看就知道是創建shared_ptr和unique_ptr對象，更具特色的是shared_from_this()，通過它的名稱就應該知道這個函數是通過this指針來創建shared_ptr對象，既然有this字眼，也能知道應該是在一個類的內部使用。

其次，關注點分離，分離了創建智能指針和使用智能指針的職責，讓程序員不再關心智能指針對象的創建過程，不再關心是如何創建出來的，程序員把關注點放在智能指針的使用上面，減輕了程序員的心智負擔。有人說，C++有了智能指針之后，就不應該在程序中出現new和delete了，可能說的絕對了點，但顯然工廠方法make_shared()和make_unique()給了他這樣說的底氣。

再者，工廠模式可以控制智能指針對象的創建過程，這也是核心意圖，它的作用有下面幾點：

1、保證在堆中創建資源對象
智能指針缺省要求管理的資源對象是在堆中創建的對象，如果把一個指向棧上創建的對象的指針，讓unique_ptr或shared_ptr去管理，最后在析構時會發生異常，顯然是不對的。如何避免程序員無意中犯這樣錯誤？那么作為控制對象創建過程的工廠模式，用在這兒再合適不過了。由工廠方法來控制智能指針對象的創建過程，程序員在make_unique和make_shared工廠函數中只傳遞創建資源對象相關參數就行了，即保證智能指針管理的肯定是使用new操作符創建的對象，這樣就保證了程序的安全性。

2、保證創建過程中資源對象不泄露
make_unique()和make_shared()能夠保證資源對象的釋放安全，我們稍加留意就會發現，無論是shared_ptr類還是unique_ptr類，在它們的構造函數中都沒有同時初始化對象資源，對象資源是在外部使用new操作符在堆上創建之后，以裸指針的形式作為構造函數的參數來創建智能指針對象，也就是說資源對象的創建和智能指針對象的創建，它們不是一體的，它們之間是有空隙的，如果在這個間隙中有別的代碼運行，并發生了異常，可能會造成資源泄漏。比如（這個例子來自Effective Modern C++ 條款21）：

processWidget(std::shared_ptr<Widget>(new Widget), computePriority());

因為編譯器在編譯時，可能是按照下面的順序生成代碼：1、實施“new Widget”，2、執行computePriority()，3、運行std::shared_ptr構造函數。如果生成了這樣的代碼，并且在運行時computePriority()發生了異常，那么在第1步動態分配的Widget對象會被泄露，因為它沒有機會被存儲到第3步才接管它的shared_ptr對象中去。如果使用make_shared()工廠方法來創建shared_ptr對象，就不會有潛在的資源泄露風險了：

processWidget(make_shared<Widget>(), computePriority());

使用make_unique和make_shared讓unique_ptr和shared_ptr在創建對象時就同時獲取了資源，即獲取資源即初始化（符合了RAII慣例的字面意思）。

3、創建時優化內存空間布局
工廠方法make_shared()在創建shared_ptr對象時，還可以對內存布局進行優化。shared_ptr對象包含了兩個指針成員，一個指向資源對象，一個指向控制塊，需要進行兩次new操作才能初始化完，在訪問時需要分別進行兩次指針解引用。如果資源對象和控制塊分配在同一個內存塊中，這樣就有更好的空間局部性，對cache更友好。在make_shared()內部可以進行控制這個實現過程，把控制塊的大小與資源的大小的和作為分配內存空間的大小，new一次就行了，然后分別讓資源對象指針和控制塊指針分別指向它們所在的位置，并初始化。讓內存空間更緊湊，節省了內存空間，同時因為有更好的cache局部性，也提高了訪問速度。

4、保證安全創建智能指針對象
weak_ptr類的lock()成員函數也是創建shared_ptr對象的一個工廠方法，控制的是從一個還沒有銷毀資源對象的shared_ptr對象中創建另一個shared_ptr對象。在多線程環境下，增加shared_ptr對象的引用計數和把控制塊指針、資源對象指針作為參數創建shared_ptr對象時，它們不是原子操作，在多線程下會存在data race。因此，在創建時需要保證線程安全，顯然交給程序員在外面實現是不現實的，那就把它封裝在一個工廠方法中，讓它來控制shared_ptr的創建過程，保證創建過程的線程安全。

enable_shared_from_this<T>類的成員函數shared_from_this()也是創建shared_ptr對象的一個工廠方法，控制的是通過資源對象的this指針來創建shared_ptr對象。它保證了是從一個已有的shared_ptr對象中創建的，如果不是，則會拋出異常；同時也保證了不會發生同一個this指針被多個不同shared_ptr對象管理生存期的錯誤，否則，如果用戶在外部隨便把this指針作為參數去調用shared_ptr構造函數，可能是重復管理，而發生錯誤。

最后，智能指針是裸指針的包裝類，而裸指針又指向資源對象，控制創建智能指針對象的過程，實際上也是在控制創建資源對象的過程。例如，工廠模式在控制智能指針對象的創建過程同時，也控制了資源對象使用new在堆上創建，如make_unique()和make_shared()，也控制了shared_ptr對象從this指針創建的過程，如shared_from_this()。

工廠模式控制了智能指針和資源對象的創建過程，那么銷毀工作又是如何實現的呢？下一篇文章繼續介紹。