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C++智能指针的设计和实现

2018年02月17日 ⁄ 综合 ⁄ 共 1988字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论关闭

一、智能指针

在C++语言编程时，当类中有指针成员时，一般有两种方式来管理指针成员：一是采用值型的方式管理，每个类对象都保留一份指针指向的对象的拷贝；另一种更优雅的方式是使用智能指针，从而实现指针指向的对象的共享。

智能指针(smart pointer)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，析构函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。

二、智能指针的一般实现

智能指针通常使用类模板来实现。模拟类指针的各种行为。但是，其最重要的作用是对类指针成员的管理，防止悬垂指针的出现。

template<class T>
class SmartPointer{
	public:
		SmartPointer(T *t):pt(t){}
		T& operator *(){ return *pt; }
		T* operator ->() { return pt; }
	private:
		T *pt;
};

三、引用计数的实现

为了实现引用计数，我们定义一个_counter类来记录引用次数，把_counter类的所有成员设定为private，因为其他的类型并不需要访问_counter，只有SmartPointer对其进行操作就行了，SmartPointer将设为其友元类。

class _counter{
	template<class T> friend class SmartPointer;
	_counter(int u):use(u){}
	~_counter(){}
	int use;
};

在SmartPointer类中，保留_counter的指针。

template<class T>
class SmartPointer{
	public:
		SmartPointer(T *t):pc(new _counter(1)){
			cout<<"SmartPointer::SmartPointer() invoded use is: "<<pc->use<<endl;
			this->pt = t;
		}

		SmartPointer(SmartPointer<T> &rhs){
			this->pc = rhs.pc;
			this->pt = rhs.pt;
			this->pc->use++;
			cout<<"SmartPointer copy invoked use is: "<<pc->use<<endl;
		}

		~SmartPointer(){
			pc->use--;
			cout<<"SmartPointer::~SmartPointer() invoded use is: "<<pc->use<<endl;
			if(pc->use == 0)
			{
				delete pt;
				delete pc;
			}
		}

		SmartPointer<T>& operator=(SmartPointer<T> rhs){
			if(rhs == *this){
				return *this;
			}

			this->pt = rhs.pt;
			this->pc = rhs.pc;
			this->pc->use++;
			cout<<"SmartPointer::operator=() invoked  use is: "<<pc->use<<endl;
			return *this;
		}

	private:
		T *pt;
		_counter* pc;
};

例如：我们有一个HasPtr类，其类成员中有一个为指针*p。

class HasPtr{
	public:
		HasPtr(int val):value(val),p(new int(3)){
			cout<<"HasPtr::HasPtr() invoked"<<endl;
		}
		~HasPtr(){ delete p; cout<<"HasPtr::~HasPtr() invoded"<<endl;}

	private:
		int *p;
		int value;
};

如果如下调用：

HasPtr *php = new HasPtr(3);
SmartPointer<HasPtr> psp(php);
SmartPointer<HasPtr> npsp(psp);

我们现在有两个智能指针对象，指向同一个HasPtr对象，其模型如下：

_counter的use成员（引用计数）为2.

四、测试

int main(void)
{
	HasPtr *php = new HasPtr(3);
	SmartPointer<HasPtr> psp(php);
	SmartPointer<HasPtr> npsp(psp);
	SmartPointer<HasPtr> nnpsp = npsp;


	return 0;
}

使用gcc编译器，运行结果如下：