فصل ۱۱: اشاره‌گرهای هوشمند (Smart Pointers) در C++

۱. مقدمه: چرا به اشاره‌گرهای هوشمند نیاز داریم؟

در فصل قبل دیدیم که اگر مدیریت حافظه پویا را خودمان با new و delete انجام بدهیم، احتمال خطاهایی مثل:

• Memory Leak (نشت حافظه)
• Dangling Pointer (اشاره به آدرس آزاد شده)
• Double Delete (آزاد کردن دو بار یک حافظه)
  وجود دارد.

در برنامه‌های بزرگ یا پیچیده، مدیریت دستی حافظه دشوار و خطرناک است. برای حل این مشکل، زبان C++ از نسخه‌ی C++11 به بعد اشاره‌گرهای هوشمند را معرفی کرد.

---

۲. اشاره‌گر هوشمند چیست؟

تعریف ساده: اشاره‌گر هوشمند یک شیء از کلاس کتابخانه استاندارد است که درست مثل اشاره‌گر معمولی به داده اشاره می‌کند، اما آزاد کردن حافظه را خودش به‌طور خودکار انجام می‌دهد.

یعنی:

• وقتی اشاره‌گر از محدوده (Scope) خارج شود، خودش حافظه را آزاد می‌کند.
• به مدیریت حافظه هوشمندانه کمک می‌کند.
• از بسیاری باگ‌ها جلوگیری می‌کند.

کتابخانه <memory> این کلاس‌ها را فراهم می‌کند.

---

۳. انواع اشاره‌گرهای هوشمند

در STL سه نوع اصلی داریم:

1. std::unique_ptr – مالکیت یکتا (فقط یک اشاره‌گر می‌تواند مالک حافظه باشد)
2. std::shared_ptr – مالکیت اشتراکی (چند اشاره‌گر می‌توانند یک حافظه را به اشتراک بگذارند)
3. std::weak_ptr – اشاره‌گر ضعیف (برای جلوگیری از حلقه‌های مالکیت در shared_ptr)

---

۴. unique_ptr – مالکیت یکتا

ویژگی‌ها:

• فقط یک unique_ptr می‌تواند حافظه را مدیریت کند.
• وقتی از محدوده خارج می‌شود، حافظه را آزاد می‌کند.
• قابل کپی کردن نیست، اما می‌توان مالکیت را منتقل (move) کرد.

مثال:

#include <iostream>
#include <memory> // برای unique_ptr
using namespace std;

int main() {
    unique_ptr<int> p1(new int(42));

    cout << *p1 << endl;

    // انتقال مالکیت
    unique_ptr<int> p2 = move(p1);

    if (!p1)
        cout << "p1 دیگر مالک حافظه نیست" << endl;

    cout << *p2 << endl;
}

توضیح:

• new int(42) حافظه می‌گیرد.
• p1 مالک است.
• با move(p1) مالکیت به p2 منتقل می‌شود.
• وقتی p2 از محدوده خارج شود، حافظه آزاد می‌شود.

---

۵. shared_ptr – مالکیت اشتراکی

ویژگی‌ها:

• چند shared_ptr می‌توانند به یک حافظه اشاره کنند.
• حافظه وقتی آزاد می‌شود که آخرین shared_ptr از بین برود.
• شمارنده‌ی مرجع (Reference Count) دارد.

مثال:

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main() {
    shared_ptr<int> sp1(new int(5));
    shared_ptr<int> sp2 = sp1; // اشتراک مالکیت

    cout << "sp1: " << *sp1 << endl;
    cout << "sp2: " << *sp2 << endl;

    cout << "تعداد مالکان: " << sp1.use_count() << endl;
}

خروجی:

sp1: 5
sp2: 5
تعداد مالکان: 2

---

۶. weak_ptr – اشاره‌گر ضعیف

ویژگی‌ها:

• به حافظه‌ای که توسط shared_ptr مدیریت می‌شود اشاره می‌کند، اما مالک نیست.
• شمارنده مرجع را افزایش نمی‌دهد.
• برای جلوگیری از حلقه‌های بی‌پایان (Circular Reference) در shared_ptr استفاده می‌شود.
• قبل از استفاده باید بررسی شود که حافظه هنوز معتبر است.

مثال:

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main() {
    shared_ptr<int> sp = make_shared<int>(10);
    weak_ptr<int> wp = sp;

    cout << "تعداد مالکان: " << sp.use_count() << endl;

    if (auto temp = wp.lock()) {
        cout << "Value: " << *temp << endl;
    } else {
        cout << "حافظه آزاد شده است" << endl;
    }
}

---

۷. چرا make_unique و make_shared؟

استفاده از تابع‌های کمکی:

• امن‌تر هستند.
• احتمال خطا کمتر است.
• سریع‌تر و بهینه‌تر مدیریت می‌شوند.

مثال:

auto ptr = make_unique<int>(25);
auto sp = make_shared<string>("Hello");

---

۸. مثال عملی کامل

مدیریت یک کلاس با اشاره‌گر هوشمند:

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

class Person {
public:
    string name;
    Person(string n) : name(n) {
        cout << "ساخت شخص: " << name << endl;
    }
    ~Person() {
        cout << "حذف شخص: " << name << endl;
    }
};

int main() {
    {
        unique_ptr<Person> p1 = make_unique<Person>("Ali");
        cout << p1->name << endl;
    } // اینجا پ1 از محدوده خارج می‌شود و حافظه آزاد می‌گردد

    {
        shared_ptr<Person> sp1 = make_shared<Person>("Sara");
        shared_ptr<Person> sp2 = sp1;

        cout << "تعداد مالکان: " << sp1.use_count() << endl;
    } // وقتی آخرین shared_ptr از بین برود، حافظه آزاد می‌شود
}

---

۹. نکات و بهترین شیوه‌ها

• همیشه make_unique و make_shared را به new ترجیح دهید.
• از unique_ptr برای مالکیت یکتا استفاده کنید؛ سریع‌تر از shared_ptr است.
• از weak_ptr برای شکستن حلقه‌های مالکیت استفاده کنید.
• نیازی به delete دستی نیست، چون مدیریت توسط کلاس انجام می‌شود.
• از اشاره‌گرهای خام (raw pointers) فقط وقتی استفاده کنید که همیشه معلوم است عمر داده دقیقاً توسط دیگری مدیریت می‌شود.

---

۱۰. تمرین‌ها

1. یک برنامه بنویسید که یک کلاس ساده با سازنده و مخرب داشته باشد و آن را با unique_ptr مدیریت کند.
2. برنامه‌ای بسازید که چند shared_ptr به یک کلاس بدهد و تعداد مالکان را چاپ کند.
3. مثال حلقه مالکیت در shared_ptr ایجاد کنید و با weak_ptr آن را بشکنید.
4. با make_unique و make_shared چند شیء ایجاد و مقادیر آن‌ها را تغییر دهید.

---

۱۱. جمع‌بندی

• اشاره‌گرهای هوشمند ابزار ایمن و مدرن مدیریت حافظه در C++ هستند.
• با خارج شدن اشاره‌گر از محدوده، حافظه آزاد می‌شود.
• استفاده از آن‌ها به جای new و delete دستی باعث کم شدن باگ‌ها و مدیریت بهتر منابع می‌شود.
• در فصل‌های بعد، با کاربردهای این اشاره‌گرها در پروژه‌های واقعی آشنا خواهیم شد.