智能指针的设计和使用.docx

智能指针的设计和使用.docx

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智能指针的设计和使用

智能指针（smartpointer）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（referencecount）。

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

classsmartpointer

{

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：

//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

classU_Ptr

{

friendclassHasPtr;

int*ip;

size_tuse;

U_Ptr（int*p）:

ip（p）,use

（1）

{

cout<<"U_ptrconstructorcalled!

"<

}

~U_Ptr（）

{

deleteip;

cout<<"U_ptrdistructorcalled!

"<

}

};

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。

    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deletep2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：

#include

usingnamespacestd;

//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

classU_Ptr

{

friendclassHasPtr;

int*ip;

size_tuse;

U_Ptr（int*p）:

ip（p）,use

（1）

{

cout<<"U_ptrconstructorcalled!

"<

}

~U_Ptr（）

{

deleteip;

cout<<"U_ptrdistructorcalled!

"<

}

};

classHasPtr

{

public:

//构造函数：

p是指向已经动态创建的int对象指针

HasPtr（int*p,inti）:

ptr（newU_Ptr（p））,val（i）

{

cout<<"HasPtrconstructorcalled!

"<<"use="<use<

}

//复制构造函数：

复制成员并将使用计数加1

HasPtr（constHasPtr&orig）:

ptr（orig.ptr）,val（orig.val）

{

++ptr->use;

cout<<"HasPtrcopyconstructorcalled!

"<<"use="<use<

}

//赋值操作符

HasPtr&operator=（constHasPtr&）;

//析构函数：

如果计数为0，则删除U_Ptr对象

~HasPtr（）

{

cout<<"HasPtrdistructorcalled!

"<<"use="<use<

if（--ptr->use==0）

deleteptr;

}

//获取数据成员

int*get_ptr（）const

{

returnptr->ip;

}

intget_int（）const

{

returnval;

}

//修改数据成员

voidset_ptr（int*p）const

{

ptr->ip=p;

}

voidset_int（inti）

{

val=i;

}

//返回或修改基础int对象

intget_ptr_val（）const

{

return*ptr->ip;

}

voidset_ptr_val（inti）

{

*ptr->ip=i;

}

private:

U_Ptr*ptr;//指向使用计数类U_Ptr

intval;

};

HasPtr&HasPtr:

:

operator=（constHasPtr&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）

deleteptr;

ptr=rhs.ptr;//复制U_Ptr指针

val=rhs.val;//复制int成员

return*this;

}

intmain（void）

{

int*pi=newint（42）;

HasPtr*hpa=newHasPtr（pi,100）;//构造函数

HasPtr*hpb=newHasPtr（*hpa）;//拷贝构造函数

HasPtr*hpc=newHasPtr（*hpb）;//拷贝构造函数

HasPtrhpd=*hpa;//拷贝构造函数

cout<get_ptr_val（）<<""<get_ptr_val（）<

hpc->set_ptr_val（10000）;

cout<get_ptr_val（）<<""<get_ptr_val（）<

hpd.set_ptr_val（10）;

cout<get_ptr_val（）<<""<get_ptr_val（）<

deletehpa;

deletehpb;

deletehpc;

cout<

return0;

}

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：

现在，我要做赋值操作，p2=p1。

对比着上面的

HasPtr&operator=（constHasPtr&）;//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）

deleteptr;

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deleteip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：

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：

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;

运行结果如下图：