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boost智能指针系列:shared_ptr

2017年07月28日 ⁄ 综合 ⁄ 共 3611字 ⁄ 字号 评论关闭

shared_ptr是一个最像指针的"智能指针"。

shared_ptr与scoped_ptr一样包装了new操作符在堆上分配的动态对象,但它实现的是引用计数型的智能指针,可以被自由的拷贝和赋值,在任意的地方共享它,当没有代码使用(引用计数为0)它时才能删除被包装的动态分配的对象。shared_ptr也可以安全地放到标准容器中,并弥补了auto_ptr因为转移语义而不能把指针做为STL容器元素的缺陷。

操作函数:
与scoped_ptr相同特征:

shared_ptr与scoped_ptr同样是用于管理new动态分配对象的智能指针,因此功能上有很多相似之处,它们都重载了*和->操作符以模仿原始指针的行为,提供隐式bool类型转换以判断指针的有效性,get()可以得到原始指针,并且没有提供指针算术操作。

与scoped_ptr不同特征:

shared_ptr可以被安全共享的,它是一个全功能的类,有着正常的拷贝,赋值语义,也可以进行shared_ptr间的比较,是“最智能”的智能指针。

shared_ptr有多种形式的构造函数,应用于各种可能的情形:
【1】无参数的shared_ptr()创建一个持有空指针的shared_ptr;
【2】shared_ptr(Y *p)获得指向类型T的指针p的管理权,同时引用计数置为1,这个构造函数要求T类型必须能够转换为T类型。
【3】shared_ptr(shared_ptr const & r)从另外一个shared_ptr获得指针的管理权,同时引用计数加1,结果是两个shared_ptr共享一个指针的管理权。
【4】shared_ptr(std::auto_ptr<Y> & r)从一个auto_ptr获得指针的管理权,引用计数置为1,同时auto_ptr自动失去管理权。
【5】operator= 赋值操作符可以从另外一个shared_ptr或auto_ptr获得指针的管理权,其行为同构造函数;

【6】shared_ptr(Y *p,D d)行为类似shared_ptr(Y *p),但使用参数d指定了析构时的定制删除器,而不是简单的delete。

shared_ptr的reset()函数的行为与scoped_ptr也不尽相同,它的作用是将引用计数减1,停止对指针的共享,除非引用计数为0,否则不会发送删除操作,带参数的reset()则类似相同形式的构造函数,原指针引用计数减1的同时改为管理另一个指针。

shared_ptr有两个专门的函数来检查引用计数,unique()在shared_ptr是指针的唯一所有者时返回true(这时shared_ptr的行为类似auto_ptr或者scoped_ptr),use_count()返回当前指针的引用计数,要小心,use_count()应该仅仅用于测试或者调试,它不提供高效率的操作,而且有的时候可能是不可用的(少数情形)。而unique()则是可靠的,任何时候都可用,而且比use_count()==1速度更快。

shared_ptr还支持比较运算,可用测试两个shared_ptr的相等或不相等,比较基于内部保存的指针,相当于a.get() == b.get().shared_ptr还可以使用operator<比较大小,同样基于内部保存的指针,但不提供除operator<以外的比较操作符,这使得shared_ptr可以被用于标准关联容器(set和map);
在编写基于虚函数的多态代码时指针的类型转换很有用,比如把一个基类指针转型为一个子类指针或者反过来,但对于shared_ptr不能使用诸如static_cast<T*>(p.get())的形式,这将导致转型后的指针无法再被shared_ptr正确管理,为了支持这样的用法,shared_ptr提供了类似的转型函数static_pointer_cast<T>(),const_pointer_cast<T>()和dynamic_pointer_cast<T>(),它们与标准的转型操作符static_cast<T>,const_cast<T>和dynamic_cast<T>类似,但返回的是转型后的shared_ptr.

shared_ptr还支持流输出操作符operator<<,输出内部的指针的值,方便调试。

用法:

shared_ptr也提供基本的线程安全保证,一个shared_ptr可以被多个线程安全读取,但其他的访问形式结果是未定义的。
shared_ptr已被C++11收纳,包含在头文件<memory>中:

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
        int *p=new int(10);
        shared_ptr<int> spi(p);
        shared_ptr<int> spi2 = spi;
        shared_ptr<int> spi3 = spi;
        cout << spi.use_count() << endl;
        cout << spi2.use_count() << endl;
        cout << spi3.use_count() << endl;
        return 0;
}

shared_ptr实现原理简述:

构造函数如下:

template<class Y>
explicit shared_ptr( Y * p ): px( p ), pn( p ) // Y must be complete
{
    boost::detail::sp_enable_shared_from_this( pn, p, p );
}

其中:

T * px;                     // contained pointer
boost::detail::shared_count pn;    // reference counter

px存储new运算符的结果,pn为引用计数对象,构造函数如下:

template<class Y> explicit shared_count( Y * p ): pi_( 0 )
{
      try
      {
          pi_ = new sp_counted_impl_p<Y>( p );
      }
      catch(...)
      {
          boost::checked_delete( p );
          throw;
      }

 }

可以看出,shared_count的构造函数中new了一个sp_counted_impl_p的对象,用来记录

    explicit sp_counted_impl_p( X * px ): px_( px )
    {

    }
    template<class X> class sp_counted_impl_p: public sp_counted_base
    sp_counted_base(): use_count_( 1 ), weak_count_( 1 )
    {
      // HPUX 10.20 / DCE has a nonstandard pthread_mutex_init


      #if defined(__hpux) && defined(_DECTHREADS_)
          pthread_mutex_init( &m_, pthread_mutexattr_default );
      #else
        pthread_mutex_init( &m_, 0 );
      #endif
    }

sp_counted_base构造函数中把use_count_和weak_count_置为1。

当进行拷贝构造或者赋值操作时:

shared_ptr(shared_ptr const &r): px(r.px), pn(r.pn) {}

pn对象的构造函数如下:

    shared_count(shared_count const & r): pi_(r.pi_) // nothrow
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
        , id_(shared_count_id)
#endif
    {
        if( pi_ != 0 ) pi_->add_ref_copy();
    }
 void add_ref_copy()
    {
        ++use_count_;
    }

当执行sp2=sp时,调用拷贝构造函数,注意这里没有加explicit,会自动隐式转换类型,把sp中的px和pn赋给sp2,当构造pn时,会把sp中pn中的pi_赋给sp2中pn中的pi_,让它们共同指向同一个sp_counted_impl_p对象,用来记录指针的引用数。

当一个shared_ptr对象离开作用域时,会先执行pn的析构函数:

    ~shared_count() // nothrow
    {
        if( pi_ != 0 ) pi_->release();
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
        id_ = 0;
#endif
    }
    void release() // nothrow
    {
        if( --use_count_ == 0 )
        {
            dispose();
            weak_release();
        }
    }

在release中,把sp_counted_impl_p对象中的use_count_减1,若减到0,则执行delete操作,释放内存。

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