C++中智能指针的设计和使用

来源：转载 2016-04-15 11:06:27 人气：我有话说( 0 人参与)

智能指针(smart pointer)是存储指向动态分配（堆）对象指针的类，用于生存期控制，能够确保自动正确的销毁动态分配的对象，防止内存泄露。它的一种通用实现技术是使用引用计

智能指针(smart pointer)是存储指向动态分配（堆）对象指针的类，用于生存期控制，能够确保自动正确的销毁动态分配的对象，防止内存泄露。它的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。
智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。当然，智能指针还不止这些，还包括复制时可以修改源对象等。智能指针根据需求不同，设计也不同（写时复制，赋值即释放对象拥有权限、引用计数等，控制权转移等）。auto_ptr 即是一种常见的智能指针。
智能指针通常用类模板实现：

template <class T>
class smartpointer
{
private:
	T *_ptr;
public:
	smartpointer(T *p) : _ptr(p)  //构造函数
	{
	}
	T& operator *()        //重载*操作符
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator ->()       //重载->操作符
	{
		return _ptr;
	}
	~smartpointer()        //析构函数
	{
		delete _ptr;
	}
};

实现引用计数有两种经典策略，在这里将使用其中一种，这里所用的方法中，需要定义一个单独的具体类用以封装引用计数和相关指针：

// 定义仅由HasPtr类使用的U_Ptr类，用于封装使用计数和相关指针
// 这个类的所有成员都是private，我们不希望普通用户使用U_Ptr类，所以它没有任何public成员
// 将HasPtr类设置为友元，使其成员可以访问U_Ptr的成员
class U_Ptr
{
	friend class HasPtr;
	int *ip;
	size_t use;
	U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
	{
		cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
	}
	~U_Ptr()
	{
		delete ip;
		cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
	}
};

HasPtr类需要一个析构函数来删除指针。但是，析构函数不能无条件的删除指针。”
条件就是引用计数。如果该对象被两个指针所指，那么删除其中一个指针，并不会调用该指针的析构函数，因为此时还有另外一个指针指向该对象。看来，智能指针主要是预防不当的析构行为，防止出现悬垂指针。

     如上图所示，HasPtr就是智能指针，U_Ptr为计数器；里面有个变量use和指针ip，use记录了*ip对象被多少个HasPtr对象所指。假设现在又两个HasPtr对象p1、p2指向了U_Ptr，那么现在我delete p1，use变量将自减1， U_Ptr不会析构，那么U_Ptr指向的对象也不会析构，那么p2仍然指向了原来的对象，而不会变成一个悬空指针。当delete p2的时候，use变量将自减1，为0。此时，U_Ptr对象进行析构，那么U_Ptr指向的对象也进行析构，保证不会出现内存泄露。
    包含指针的类需要特别注意复制控制，原因是复制指针时只复制指针中的地址，而不会复制指针指向的对象。
    大多数C++类用三种方法之一管理指针成员
    （1）不管指针成员。复制时只复制指针，不复制指针指向的对象。当其中一个指针把其指向的对象的空间释放后，其它指针都成了悬浮指针。这是一种极端
    （2）当复制的时候，即复制指针，也复制指针指向的对象。这样可能造成空间的浪费。因为指针指向的对象的复制不一定是必要的。
   （3）第三种就是一种折中的方式。利用一个辅助类来管理指针的复制。原来的类中有一个指针指向辅助类，辅助类的数据成员是一个计数器和一个指针（指向原来的）（此为本次智能指针实现方式）。
     其实，智能指针的引用计数类似于java的垃圾回收机制：java的垃圾的判定很简答，如果一个对象没有引用所指，那么该对象为垃圾。系统就可以回收了。
     HasPtr 智能指针的声明如下，保存一个指向U_Ptr对象的指针，U_Ptr对象指向实际的int基础对象，代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;

// 定义仅由HasPtr类使用的U_Ptr类，用于封装使用计数和相关指针
// 这个类的所有成员都是private，我们不希望普通用户使用U_Ptr类，所以它没有任何public成员
// 将HasPtr类设置为友元，使其成员可以访问U_Ptr的成员
class U_Ptr
{
    friend class HasPtr;
    int *ip;
    size_t use;
    U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
    {
        cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
    }
    ~U_Ptr()
    {
        delete ip;
        cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
    }
};

class HasPtr
{
public:
    // 构造函数：p是指向已经动态创建的int对象指针
    HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)
    {
        cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
    }

    // 复制构造函数：复制成员并将使用计数加1
    HasPtr(const HasPtr& orig) : ptr(orig.ptr) , val(orig.val)
    {
        ++ptr->use;
        cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
    }

    // 赋值操作符
    HasPtr& operator=(const HasPtr&);

    // 析构函数：如果计数为0，则删除U_Ptr对象
    ~HasPtr()
    {
        cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
        if (--ptr->use == 0)
            delete ptr;
    }

    // 获取数据成员
    int *get_ptr() const
    {
        return ptr->ip;
    }
    int get_int() const
    {
        return val;
    }

    // 修改数据成员
    void set_ptr(int *p) const
    {
        ptr->ip = p;
    }
    void set_int(int i)
    {
        val = i;
    }

    // 返回或修改基础int对象
    int get_ptr_val() const
    {
        return *ptr->ip;
    }
    void set_ptr_val(int i)
    {
        *ptr->ip = i;
    }
private:
    U_Ptr *ptr;   //指向使用计数类U_Ptr
    int val;
};
HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &rhs)  //注意，这里赋值操作符在减少做操作数的使用计数之前使rhs的使用技术加1，从而防止自我赋值
{
    // 增加右操作数中的使用计数
    ++rhs.ptr->use;
    // 将左操作数对象的使用计数减1，若该对象的使用计数减至0，则删除该对象
    if (--ptr->use == 0)
        delete ptr;
    ptr = rhs.ptr;   // 复制U_Ptr指针
    val = rhs.val;   // 复制int成员
    return *this;
}

int main(void)
{
    int *pi = new int(42);
    HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100);    // 构造函数
    HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa);     // 拷贝构造函数
    HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb);     // 拷贝构造函数
    HasPtr hpd = *hpa;     // 拷贝构造函数

    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    hpc->set_ptr_val(10000);
    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    hpd.set_ptr_val(10);
    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    delete hpa;
    delete hpb;
    delete hpc;
    cout << hpd.get_ptr_val() << endl;
    return 0;
}

这里的赋值操作符比较麻烦，且让我用图表分析一番：
假设现在又两个智能指针p1、 p2，一个指向内容为42的内存，一个指向内容为100的内存，如下图：

现在，我要做赋值操作，p2 = p1。对比着上面的

HasPtr& operator=(const HasPtr&);   // 赋值操作符

此时，rhs就是p1，首先将p1指向的ptr的use加1，

++rhs.ptr->use;     // 增加右操作数中的使用计数

然后，做：

if (--ptr->use == 0)
		delete ptr;

因为，原先p2指向的对象现在p2不在指向，那么该对象就少了一个指针去指，所以，use做自减1；
此时，条件成立。因为u2的use为1。那么，运行U_Ptr的析构函数，而在U_Ptr的析构函数中，做了delete ip操作，所以释放了内存，不会有内存泄露的问题。
接下来的操作很自然，无需多言：

ptr = rhs.ptr;   // 复制U_Ptr指针
	val = rhs.val;   // 复制int成员
	return *this;

做完赋值操作后，那么就成为如下图所示了。红色标注的就是变化的部分：

而还要注意的是，重载赋值操作符的时候，一定要注意的是，检查自我赋值的情况。
如图所示：

此时，做p1 = p1的操作。那么，首先u1.use自增1，为2；然后，u1.use自减1，为1。那么就不会执行delete操作，剩下的操作都可以顺利进行。按《C++ primer》说法，“这个赋值操作符在减少左操作数的使用计数之前使rhs的使用计数加1，从而防止自身赋值”。哎，反正我是那样理解的。当然，赋值操作符函数中一来就可以按常规那样：