[8]C++智能指针的简单实现

现在的位置: 首页 > 综合 > 正文

[8]C++智能指针的简单实现

2017年12月22日 ⁄ 综合 ⁄ 共 4263字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论关闭

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。

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。

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;
	}
};

代码一：

class Point                                       //基础对象类，要做一个对Point类的智能指针
{
public:
    Point(int xVal = 0, int yVal = 0):x(xVal),y(yVal) { }
    int getX() const {        return x;    }
    int getY() const {        return y;    }
    void setX(int xVal) {        x = xVal;    }
    void setY(int yVal) {        y = yVal;    }
private:
    int x,y;
};
class RefPtr                                  //辅助类
{//该类成员访问权限全部为private，因为不想让用户直接使用该类
    friend class SmartPtr;      //定义智能指针类为友元，因为智能指针类需要直接操纵辅助类
    RefPtr(Point *ptr):p(ptr), count(1) { }
    ~RefPtr() {        delete p;    }

    int count;      //引用计数
    Point *p;       //基础对象指针
};

class SmartPtr      //智能指针类
{
public:
    SmartPtr(Point *ptr):rp(new RefPtr(ptr)) { }    //构造函数
    SmartPtr(const SmartPtr &sp):rp(sp.rp) {	    //复制构造函数
		++rp->count; 
    }
    SmartPtr& operator=(const SmartPtr& rhs) {       //重载赋值操作符
        ++rhs.rp->count;                             //首先将右操作数引用计数加1，
        if (--rp->count == 0)                        //然后将引用计数减1，可以应对自赋值
            delete rp;
        rp = rhs.rp;
        return *this;
    }
    ~SmartPtr() {                                    //析构函数
        if (--rp->count == 0)                        //当引用计数减为0时，删除辅助类对象指针，从而删除基础对象
            delete rp;
    }

private:
    RefPtr *rp;                                      //辅助类对象指针
};

int main()
{
    Point *p1 = new Point(10, 8);
    SmartPtr sp1(p1);     //此时sp1.rp->count = 1
    SmartPtr sp2(sp1);    //首先将sp1.rp->count赋给sp2.rp->count,之后sp2.rp->count++,这时sp1,sp2的rp是同一个对象
    Point *p2 = new Point(5, 5);
    SmartPtr sp3(p2);
    sp3 = sp1;

    return 0;
}

代码二：

#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;
}

运行结果如下图：