C++智能指针(设计和使用)

快来打我* 2021-11-09 10:02 455阅读 0赞

前段时间学习project Anarchy引擎，底层很多都是用的只能指针，学了之后一直没用过的，到现在终于算是见到实际作用了，现在重新温故下

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：

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。  
![1336880293_9936.jpg][]  
     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：

//  
/// author: Jeson Yang  
/// date:2014.9.17  
//

\#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：  
![1336881867_1667.jpg][]  
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：  
![1336882177_2346.jpg][]  
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：  
![1336882208_4909.jpg][]  
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：

if(this == &rhs)   
        return \*this;

转载于:https://www.cnblogs.com/JesonYang/p/6124134.html

[1336880293_9936.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336880293_9936.jpg
[1336881867_1667.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336881867_1667.jpg
[1336882177_2346.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336882177_2346.jpg
[1336882208_4909.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336882208_4909.jpg