Efficient C++ 第十二章引用计数

我就是我 2022-04-11 05:47 264阅读 0赞

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\[align=center\]\[b\]Efficient C++ 第十二章 引用计数\[/b\]\[/align\]  
  
引用计数机制的实现，和其优劣。实现方式的特点，决定它不可能在任何情况下都有性能优势。  
　　应用编写过程中较多的使用指针的模块经常会遇到：内存泄漏、空指针(指针删除过早）的问题。为解决此类问题我们通常需要花费大量时间分析问题所在，小心的控制指针的分配和释放。  
　　引用计数的设计思想是：把对象清除的责任从客户端代码交给对象本身，它有一个引用计数器，程序中该对象只有一份内存，拷贝它只是对计数器+1，当计数器值为0时删除自己。  
  
\[b\]实现细节\[/b\]  
　　用BigInt做一个引用计数示例，BigInt把正整数表示为每一个十进制数的二进制编码。(不用关心它本身的细节)  
　　结构关系如下图：  
\[align=center\]\[img\]http://blog.chinaunix.net/attachment/201112/14/25872711\_13238309845BeB.jpg\[/img\]\[/align\]  
主要代码如下：

class BigInt {
       
    friend BigInt operator+ (const BigInt&, const BigInt&);
    public:
        BigInt (const char *);
        BigInt(unsigned = 0);
        BigInt (const BigInt&);
        BigInt& operator= (const BigInt&);
        BigInt& operator+= (const BigInt&);
        ~BigInt();
    
        char *getDigits() const { return digits; }
        unsigned getNdigits() const { return ndigits; }
    
    private:
        char *digits;
        unsigned ndigits;
        unsigned size; // size of allocated string
        BigInt (const BigInt&, const BigInt&);// operational ctor
        char fetch(unsigned i) const;
    };
    
    //我们只需要关心类的以下几个函数实现
    BigInt::BigInt (unsigned u)
    {
       
        unsigned v = u;
    
        for (ndigits = 1; (v/=10) > 0; ++ndigits) {
       
            ;
            }
    
        digits = new char[size=ndigits];
    
        for ( unsigned i = 0; i < ndigits; ++i) {
       
            digits[i] = u%10;
            u /= 10;
            }
    }
    BigInt::~BigInt()
    {
       
        delete [] digits;
    }
    
    BigInt& BigInt::operator= (const BigInt& rhs)
    {
       
        if (this == &rhs) return *this;
        ndigits = rhs.ndigits;
        if (ndigits > size) {
       
           delete [] digits;
           digits = new char[size = ndigits];
           }
    
        for (unsigned i = 0; i < ndigits; ++i) {
       
            digits[i] = rhs.digits[i];
            }
    
        return *this;
    }

RCObject是用于引用计数的基类，它封装了引用计数变量及其有关操作。

class RCObject {
       
    public:
        void addReference() { ++refCount;}
        void removeReference() { if (--refCount == 0) delete this;}
    
        void markUnshareable() { shareable = false;}
        bool isShareable() const { return shareable; }
    
        bool isShared() const { return refCount > 1; }
    
    protected:
        RCObject() : refCount(0), shareable(true) {}
        RCObject(const RCObject& rhs) : refCount(0), shareable(true) {}
        RCObject& operator=(const RCObject& rhs) {return *this;}
        virtual ~RCObject() {}
    
    private:
        int refCount;
        bool shareable;
    };

现在让BigInt从RCObject类继承，使其拥有引用计数特性。

class BigInt : public RCObject {
       
        // Same as before
    };

实现RCPtr模板类，注意->和\*重载操作符的实现，它是一个智能指针：

template <class T>
    class RCPtr {
       
    public:
        RCPtr(T *realPtr = 0) : pointee(realPtr) { init();}
        RCPtr(const RCPtr& rhs) : pointee(rhs.pointee) { init();}
        ~RCPtr() { if (pointee) pointee->removeReference();}
    
        RCPtr& operator=(const RCPtr& rhs);
    
        T* operator->() const { return pointee; }
        T& operator*() const { return *pointee; }
    
    private:
        T *pointee;
        void init();
    };
    
    template <class T>
    void RCPtr<T>::init()
    {
       
        if (0 == pointee) return;
    
        if (false == pointee->isShareable() ) {
       
           pointee = new T(*pointee);
           }
    
        pointee->addReference();
    }
    
    template <class T>
    RCPtr<T>& RCPtr<T>::operator=(const RCPtr& rhs)
    {
       
        if (pointee != rhs.pointee) {
       
           if (pointee) pointee->removeReference();
           pointee = rhs.pointee;
           init();
           }
    
        return *this;
    }

最后，我们有了实现引用计数BigInt的全部代码，实现RCBigInt非常简单，复杂的工作都交给RCPtr和RCObject完成。

class RCBigInt {
       
    friend RCBigInt operator+ (const RCBigInt&, const RCBigInt&);
    public:
        RCBigInt (const char *p) : value (new BigInt(p)) {}
        RCBigInt (unsigned u= 0) : value (new BigInt(u)) {}
        RCBigInt (const BigInt& bi) : value (new BigInt(bi)) {}
    
        void print() const { value->print(); }
    
    private:
        RCPtr<BigInt> value;
    };
    
    inline
    RCBigInt operator+ (const RCBigInt& left, const RCBigInt& right)
    {
       
        return RCBigInt(*(left.value) + *(right.value));
    }

从实现逻辑上可以看出，进行复制操作时引用计数类实际上只分配了一份内存，大量的复制操作情况下其性能优势比较明显。普通的一次一次分配新对象的情况，引用计数没有性能优势，反而因逻辑复杂化而性能受损。  
  
\[b\]对已存在的类实现引用计数\[/b\]  
　　上节对BigInt实现引用计数需要对BigInt做一定的修改，让它继承自RCObject。本节介绍不修改BigInt类的实现，因为很多情况下我们需要做引用计数的类是不允许我们进行修改的。  
　　这需要引用一个独立的类CountHolder，结构如下：  
\[align=center\]\[b\]http://blog.chinaunix.net/attachment/201112/14/25872711\_13238324240m0X.jpg\[/b\]\[/align\]  
  
实现一个新的智能指针RCIPtr，它和RCPtr基本相同。

class RCBigInt {
       
        ... // The same as before
    private:
        RCIPtr<BigInt> value; // RCIPtr not RCPtr
    };
    template < class T>
    class RCIPtr {
       
    public:
        RCIPtr(T *realPtr = 0);
        RCIPtr(const RCIPtr& rhs);
        ~RCIPtr();
    
        RCIPtr& operator=(const RCIPtr& rhs);
        T* operator->() const { return counter->pointee; }
        T& operator*() const { return *(counter->pointee); }
    
    private:
        struct CountHolder : public RCObject {
       
            ~CountHolder() { delete pointee; }
            T *pointee;
        };
    
        RCIPtr<T>::CountHolder *counter;
        void init();
    };
    
    
    template <class T>
    void RCIPtr<T>::init()
    {
       
        if (0 == counter) return;
    
        if (false == counter->isShareable() ) {
       
           counter = new CountHolder;
           counter->pointee = new T(*counter->pointee);
           }
    
        counter->addReference();
    }
    
    template <class T>
    RCIPtr<T>::RCIPtr(T *realPtr)
        : counter(new CountHolder)
    {
       
        counter->pointee = realPtr;
        init();
    }
    
    template <class T>
    RCIPtr<T>::RCIPtr(const RCIPtr& rhs) : counter(rhs.counter)
    {
       
        init();
    }
    
    template <class T>
    RCIPtr<T>::~RCIPtr()
    {
       
        if (counter) counter->removeReference();
    }
    
    template <class T>
    RCIPtr<T>& RCIPtr<T>::operator=(const RCIPtr& rhs)
    {
       
        if (counter != rhs.counter) {
       
           if (counter) counter->removeReference();
           counter = rhs.counter;
           init();
           }
    
        return *this;
    }

由于逻辑复杂化，引用计数对象创建时的开销增加了。

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