C++代理类

小灰灰 2022-05-30 02:06 151阅读 0赞

1.为什么c++需要代理类

考虑如下的一个小实例：假设有一个类，命名为RoadVehicle，代表陆地上的车辆，简单的定义如下：

//定义陆地上的车辆  
    class RoadVehicle  
    {  
    public:  
        RoadVehicle(){} //默认构造函数，容许声明RoadVehicle的数组  
        double get_weight()const  
        {  
            return 0.0;  
        }  
    };

现在我们需要用一个容器或者数组来保存这个类的一些列对象，那么我们可以如下声明数组来存放这些对象：

RoadVehicle parking_lot[100];

这样做会造成一个很明显的问题：当我们有另一类车辆(比如飞机类AirCraft)时，我们将RoadVehicle类和AirCraft类继承自同一个父类Vehicle，有如下的结构：

class Vehicle  
    {  
    public:  
        virtual double get_weight()const = 0;  
    };  
    //定义陆地上的车辆  
    class RoadVehicle:public Vehicle  
    {  
    public:  
        RoadVehicle(){} //默认构造函数，容许声明RoadVehicle的数组  
        double get_weight()const  
        {  
            return 0.0;  
        }  
    };  
    //定义飞机  
    class AirCraft:public Vehicle  
    {  
    public:  
        AirCraft(){} //默认构造函数，容许声明AirCraft的数组  
        double get_weight()const  
        {  
            return 1.0;  
        }  
    };

当有如上继承结构出现时，我们再来考虑如何用一个容器或者数组存放这些对象，尽管可以声明多个数组来存放，如下：

RoadVehicle parking_lot1[100];  
    AirCraft parking_lot2[100];

但是当我们的车辆的类型越来越多，比如还有AutoVehicle类，Helicopter类等等时，这种方式需要声明对应的数组来存放，很显然这不符合c++的精神。

既然RoadVehicle类和AirCraft类均继承自Vehicle类，那我们声明如下的数组来存放这些对象，又会发生什么事情呢？

Vehicle parking_lot[100];

但是这又会带来两个问题：

第一：Vehicle是一个抽象类，它拥有一个纯虚函数，它不能生成对象，因此他无法定义这样的数组；

第二：即使我们在vehicle中将纯虚函数修改为虚函数，使它可以生成对象，也会出现问题，比如有如下代码：

RoadVehicle x;  
    parking_lot[num] = x;

此时，会把x转换成一个Vehicle对象，同时会丢失所有在Vehicle类中没有的成员，然后将剪裁了的对象复制到parking\_lot数组中去。

解决上述两个问题的方法非常简单，即存储Vehicle对象的指针：

Vehicle * parking_lot[100];

此时，上述操作变为：

RoadVehicle x;  
    parking_lot[num] = &x;

但是，这种方法又带来了新的问题：

由于x是局部变量，当x超出其作用域时，parking\_lot数组中的指针变成了野指针。这一问题可以如下解决：

RoadVehicle x;  
    parking_lot[num] = new RoadVehicle(x);//即：使parking_lot中的指针指向x的一个副本

但上述方法实施的前提是我们明确的知道了要放入parking\_lot中的对象的静态类型，在本例中，我们知道要放入parking\_lot的是RoadVehicle，而不是AirCraft或其他的类对象。

当我们不知道要放入parking\_lot中的对象的静态类型时，比如，我们我们想让parking\_lot\[p\]指向一个新建立的Vehicle，并且这个Vehicle和parking\_lot\[q\]中的对象相同，这时我们并不知道parking\_lot\[q\]中指针所指的对象的静态类型，那我们该如何复制parking\_lot\[q\]所指向的副本给parking\_lot\[p\]呢？

显然：

if(p != q)  
    {  
        delete parking_lot[p];  
        parking_lot[p] = parking_lot[q];  
    }

这是不行的，这样会导致parking\_lot\[p\]和parking\_lot\[q\]指向同一个对象

if(p != q)  
    {  
        delete parking_lot[p];  
        parking_lot[p] = new Vehicle(parking_lot[q]);  
    }

这也是不行的，因为Vehicle无法产生对象，即使能产生，也是被剪裁了的，是Vehicle对象， 而不是parking\_lot\[q\]所指的对象的类型。

事实上，这里的根本原因在于，我们无法知道parking\_lot\[q\]所指对象的静态类型，c++中解决这一类问题是用多态。我们需要一个克隆函数，当parking\_lot\[q\]调用自己的克隆函数时，复制自己的一个副本，并返回一个该副本的指针。因此我们的代码变为如下：

#include <iostream>  
    using namespace std;  
      
    class Vehicle  
    {  
    public:  
        virtual double get_weight()const = 0;  
        virtual Vehicle* copy() const = 0;  
    };  
    //定义陆地上的车辆  
    class RoadVehicle:public Vehicle  
    {  
    public:  
        RoadVehicle(){} //默认构造函数，容许声明RoadVehicle的数组  
        RoadVehicle(const RoadVehicle& RV){}  
        double get_weight()const  
        {  
            return 0.0;  
        }  
        Vehicle* copy()const  
        {  
            return new RoadVehicle(*this);  
        }  
    };  
    //定义飞机  
    class AirCraft:public Vehicle  
    {  
    public:  
        AirCraft(){} //默认构造函数，容许声明AirCraft的数组  
        AirCraft(const AirCraft& AC){}  
        double get_weight()const  
        {  
            return 0.0;  
        }  
        Vehicle* copy()const  
        {  
            return new AirCraft(*this);  
        }  
    };

由于parking\_lot数组中存放的都是Vehicle类型的指针，而其所实际指向的对象是Vehicle的任意子类，因此，在释放parking\_lot中指针所指向的内存时，我们需要虚析构函数，否则，会造成内存泄露，因此我们为每个类添加虚析构函数。代码如下：

#include <iostream>  
    using namespace std;  
      
    class Vehicle  
    {  
    public:  
        virtual double get_weight()const = 0;  
        virtual Vehicle* copy() const = 0;  
        virtual ~Vehicle(){}  
    };  
    //定义陆地上的车辆  
    class RoadVehicle:public Vehicle  
    {  
    public:  
        RoadVehicle(){} //默认构造函数，容许声明RoadVehicle的数组  
        RoadVehicle(const RoadVehicle& RV){}  
        double get_weight()const  
        {  
            return 0.0;  
        }  
        Vehicle* copy()const  
        {  
            return new RoadVehicle(*this);  
        }  
        ~RoadVehicle(){}  
    };  
    //定义飞机  
    class AirCraft:public Vehicle  
    {  
    public:  
        AirCraft(){} //默认构造函数，容许声明AirCraft的数组  
        AirCraft(const AirCraft& AC){}  
        double get_weight()const  
        {  
            return 0.0;  
        }  
        Vehicle* copy()const  
        {  
            return new AirCraft(*this);  
        }  
        ~AirCraft(){}  
    };

如此一来，上面存在的问题，可以如下解决：

if(p != q)  
    {  
        delete parking_lot[p];  
        parking_lot[p] = parking_lot[q]->copy();  
    }

上面的方法，在一定程度上解决了我们的问题，但是它在parking\_lot数组中存储的是指针，这使得用户显示的处理内存分配，那么有没有一种方法既能够不显示的处理内存分配，又能够保持类Vehicle在运行时动态绑定呢？这就是我们的代理类了。

我们为Vehicle类创建一个代理类，假设命名为VehicleSurrogate，每个VehicleSurrogate对象代表一个Vehicle对象，只要VehicleSurrogate对象存在，那么它所关联的Vehicle对象就存在，复制VehicleSurrogate对象就会复制相对应的Vehicle对象，给代理赋新值也会先删除旧的关联的对象，再复制新的对象。

我们可以如下定义代理类：

class VehicleSurrogate  
    {  
    public:  
        VehicleSurrogate():vp(0){} //默认构造函数，使得可以声明VehicleSurrogate的数组  
        VehicleSurrogate(const VehicleSurrogate& VS)//以自身对象初始化  
        {  
            vp = VS.vp?VS.vp->copy():0;  
        }  
        VehicleSurrogate(const Vehicle& V):vp(V.copy()){}//以它所代理的Vehicle对象初始化  
        VehicleSurrogate& operator=(const VehicleSurrogate& VS)//重载赋值  
        {  
            if(this != &VS)  
            {  
                delete this->vp;  
                this->vp = VS.vp?VS.vp->copy():0;  
            }  
            return *this;  
        }  
        ~VehicleSurrogate()  
        {  
            delete vp;  
        }  
      
        //代理Vehicle类行为的函数，Vehicle有多少个行为函数，这里就需要重新定义多少个代理类函数  
        double get_weight()const  
        {  
            return vp->get_weight();  
        }  
    private:  
        Vehicle* vp;  
    };

有了上述代理类之后，我们就可以如下操作：

VehicleSurrogate parking_lot[100];  
      
    RoadVehicle x;  
    parking_lot[0] = x;  
    cout << parking_lot[0].get_weight();

至此，我们利用代理类，就可以即不用显示进行内存分配管理，又可以使得Vehicle子类对象进行动态绑定。

2. 智能指针

[“c++代理类（一）”][c]中完成的简单代理类虽然解决了最急迫的问题，但效率上又存在了另外的问题，该简单类存在的问题主要是：

每个代理类对象都唯一关联一个实际对象，代理类对象存在则实际对象存在，代理类对象释放则实际类对象也要释放，且复制代理类对象就必须要复制实际类对象。这在实际类很大的时候复制开销是非常大的。而且，代理类的复制会频繁的发生，比如：作为函数的参数进行值传递，或者作为函数的返回值等等。

我们将对该简单代理类进行改进，改进的思想主要是：在代理类中为其代理的实际对象添加一个标记，该标记指出有多少个代理类对象代理了这个实际对象，这样当我们复制代理类对象时，其实际所代理的对象就不需要复制了，只需要修改该标记即可。

其具体做法如下：

class VehicleSurrogate  
    {  
    public:  
            ......//跟简单类一样，唯一不同的是需要加入处理标记num的部分  
    private:  
        Vehicle* vp;  
        int * num; //添加的标记字段  
    };

有了如上的结构，每次复制代理类时，只需要将(\*num)++就可以了。其意义为：绑定到实际对象的代理类又多了一个

上述的策略在不需要修改实际对象时非常有用，即所有代理类对象只是读它所代理的实际对象时，但当某个代理类需要修改它所代理的实际对象时，问题就发生了，由于所有代理类对象实际所代理的对象在内存中是同一份，因此，一个代理类对象所做的修改将会影响其他代理类，因此，此时需要对所代理的实际对象进行复制，且该复制是无法避免的。我们称之为——写时复制。

实现指针的类代码如下：

#include <iostream>  
    using namespace std;  
      
    class Vehicle  
    {  
    public:  
        Vehicle():weight(0.0){} //默认构造函数  
        Vehicle(double w):weight(w){}   
      
        virtual ~Vehicle(){}    //虚析构函数必须存在，因此所有子类对象在析构时都是以Vehicle*的方式调用析构函数的，以虚析构函数调用才能保证调用到正确的析构函数                            //才不会导致内存泄露  
        virtual Vehicle* copy()const  //复制自己  
        {  
            return new Vehicle(*this);  
        }  
      
        //读  
        double get_weight()const       
        {  
            return weight;  
        }  
        //写  
        Vehicle* set_weight(double w)  
        {  
            weight = w;  
            return this;  
        }  
    private:  
        double weight;   
    };  
    //定义陆地上的车辆  
    class RoadVehicle:public Vehicle  
    {  
    public:  
        RoadVehicle(){} //默认构造函数，容许声明RoadVehicle的数组  
        RoadVehicle(double w):Vehicle(w){}  
        RoadVehicle(const RoadVehicle& RV):Vehicle(RV.get_weight()){} //拷贝构造函数  
      
        Vehicle* copy()const   //复制自己  
        {  
            return new RoadVehicle(*this);  
        }  
        ~RoadVehicle(){}  
    };  
    //定义飞机  
    class AirCraft:public Vehicle  
    {  
    public:  
        AirCraft(){} //默认构造函数，容许声明AirCraft的数组  
        AirCraft(double w):Vehicle(w){}  
        AirCraft(const AirCraft& AC):Vehicle(AC.get_weight()){} //拷贝构造函数  
      
        Vehicle* copy()const  
        {  
            return new AirCraft(*this);  
        }  
        ~AirCraft(){}  
    };  
    //智能指针类定义  
    class VehicleSurrogate  
    {  
    public:  
        VehicleSurrogate():vp(new Vehicle()),num(new int(1)){} //默认构造函数，使得可以声明VehicleSurrogate的数组  
        VehicleSurrogate(const VehicleSurrogate& VS):vp(VS.vp),num(VS.num)//拷贝构造函数，可发现此时它所代理的实际对象并未复制  
        {  
            ++(*num);  
        }  
        VehicleSurrogate(const Vehicle& V):vp(V.copy()),num(new int(1)){}//以它所代理的Vehicle对象初始化  
        VehicleSurrogate& operator=(const VehicleSurrogate& VS)//重载赋值，可发现此时它所代理的实际对象并未复制  
        {  
            if(this != &VS)  
            {  
                //删除原来的旧的关联对象  
                if(--(*num) == 0 )  
                {  
                    delete vp;  
                    delete num;  
                }  
                //赋值新的关联对象  
                vp = VS.vp;  
                num = VS.num;  
      
                ++(*num);  
            }  
            return *this;  
        }  
        ~VehicleSurrogate()  
        {  
            if(--(*num)== 0)  
                {  
                    delete vp;  
                    delete num;  
                }  
        }  
      
        int get_num()const  
        {  
            return *num;  
        }  
        //代理Vehicle类行为的函数，读操作无需复制所代理的实际对象  
        double get_weight()const  
        {  
            return vp->get_weight();  
        }  
        //写时复制策略，写时必须复制所代理的实际对象  
        VehicleSurrogate& set_weight(double w)  
        {  
                if((*num) == 1)  
                {  
                    vp->set_weight(w);  
                }  
                else  
                {  
                    --(*num);  
      
                    vp = vp->copy();//真正的复制发生在这里  
                    num = new int(1);  
      
                    vp->set_weight(w);  
                }  
            return *this;  
        }  
      
    private:  
        Vehicle* vp;  
        int * num;  
    };  
      
    int main()  
    {  
       //测试上述智能指针  
        VehicleSurrogate parking_lot[100];  
        RoadVehicle x(10);  
        parking_lot[0] = RoadVehicle(x);  
        parking_lot[1] = parking_lot[0];  
        parking_lot[0].set_weight(5.0);  
        cout << parking_lot[0].get_weight()<<endl<<parking_lot[0].get_num()<<endl;  
        cout << parking_lot[1].get_weight()<<endl<<parking_lot[1].get_num()<<endl;  
    }

使用智能指针，既保留了简单代理类的优点：无需显示管理内存分配，且能实现所代理的实际对象动态绑定，又省略了过多的复制开销。

**本文转自：**

**http://blog.csdn.net/lcg910978041/article/details/51468680**

[c]: http://blog.csdn.net/liqianyuan2009/article/details/15815341