C++ 智能指針深入解析
1. 為什么需要智能指針?
簡單的說,智能指針是為了實(shí)現(xiàn)類似于Java中的垃圾回收機(jī)制。Java的垃圾回收機(jī)制使程序員從繁雜的內(nèi)存管理任務(wù)中徹底的解脫出來,在申請使用一塊內(nèi)存區(qū)域之后,無需去關(guān)注應(yīng)該何時(shí)何地釋放內(nèi)存,Java將會自動幫助回收。但是出于效率和其他原因(可能C++設(shè)計(jì)者不屑于這種傻瓜氏的編程方式),C++本身并沒有這樣的功能,其繁雜且易出錯(cuò)的內(nèi)存管理也一直為廣大程序員所詬病。
更進(jìn)一步地說,智能指針的出現(xiàn)是為了滿足管理類中指針成員的需要。包含指針成員的類需要特別注意復(fù)制控制和賦值操作,原因是復(fù)制指針時(shí)只復(fù)制指針中的地址,而不會復(fù)制指針指向的對象。當(dāng)類的實(shí)例在析構(gòu)的時(shí)候,可能會導(dǎo)致垂懸指針問題。
管理類中指針成員的方法一般有兩種方式:一種是采用值型類,這種類是給指針成員提供值語義(value semantics),當(dāng)復(fù)制該值型對象時(shí),會得到一個(gè)不同的新副本。這種方式典型的應(yīng)用是string類。另外一種方式就是智能指針,實(shí)現(xiàn)這種方式的指針?biāo)赶虻膶ο笫枪蚕淼摹?/P>
2. 智能指針的實(shí)現(xiàn)概述
智能指針(smart pointer)的一種通用實(shí)現(xiàn)技術(shù)是使用引用計(jì)數(shù)(reference count)。智能指針類將一個(gè)計(jì)數(shù)器與類指向的對象相關(guān)聯(lián),引用計(jì)數(shù)跟蹤該類有多少個(gè)對象共享同一指針。
每次創(chuàng)建類的新對象時(shí),初始化指針并將引用計(jì)數(shù)置為1;當(dāng)對象作為另一對象的副本而創(chuàng)建時(shí),拷貝構(gòu)造函數(shù)拷貝指針并增加與之相應(yīng)的引用計(jì)數(shù);對一個(gè)對象進(jìn)行賦值時(shí),賦值操作符減少左操作數(shù)所指對象的引用計(jì)數(shù)(如果引用計(jì)數(shù)為減至0,則刪除對象),并增加右操作數(shù)所指對象的引用計(jì)數(shù);調(diào)用析構(gòu)函數(shù)時(shí),構(gòu)造函數(shù)減少引用計(jì)數(shù)(如果引用計(jì)數(shù)減至0,則刪除基礎(chǔ)對象)。
實(shí)現(xiàn)智能指針有兩種經(jīng)典策略:一是引入輔助類,二是使用句柄類。
3. 實(shí)現(xiàn)方式1:引入輔助類
這種方式定義一個(gè)單獨(dú)的具體類(RefPtr)來封裝指針和相應(yīng)的引用計(jì)數(shù)。
class Point //基礎(chǔ)對象類
{
public:
Point(int xVal = 0, int yVal = 0):x(xVal),y(yVal) { }
int getX() const { return x; }
int getY() const { return y; }
void setX(int xVal) { x = xVal; }
void setY(int yVal) { y = yVal; }
private:
int x,y;
};
class RefPtr //輔助類
{ //該類成員訪問權(quán)限全部為private,因?yàn)椴幌胱層脩糁苯邮褂迷擃?BR> friend class SmartPtr; //定義智能指針類為友元,因?yàn)橹悄苤羔橆愋枰苯硬倏v輔助類
RefPtr(Point *ptr):p(ptr), count(1) { }
~RefPtr() { delete p; }
int count; //引用計(jì)數(shù)
Point *p; //基礎(chǔ)對象指針
};
class SmartPtr //智能指針類
{
public:
SmartPtr(Point *ptr):rp(new RefPtr(ptr)) { } //構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr(const SmartPtr &sp):rp(sp.rp) { ++rp->count; } //復(fù)制構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr& operator=(const SmartPtr& rhs) { //重載賦值操作符
++rhs.rp->count; //首先將右操作數(shù)引用計(jì)數(shù)加1,
if(--rp->count == 0) //然后將引用計(jì)數(shù)減1,可以應(yīng)對自賦值
delete rp;
rp = rhs.rp;
return *this;
}
~SmartPtr() { //析構(gòu)函數(shù)
if(--rp->count == 0) //當(dāng)引用計(jì)數(shù)減為0時(shí),刪除輔助類對象指針,從而刪除基礎(chǔ)對象
delete rp;
}
private:
RefPtr *rp; //輔助類對象指針
};
int main()
{
Point *p1 = new Point(10, 8);
SmartPtr sp1(p1);
SmartPtr sp2(sp1);
Point *p2 = new Point(5, 5);
SmartPtr sp3(p2);
sp3 = sp1;
return 0;
}
使用該方式的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖如下:
4. 實(shí)現(xiàn)方式2:使用句柄類
為了避免上面方案中每個(gè)使用指針的類自己去控制引用計(jì)數(shù),可以用一個(gè)類把指針封裝起來。封裝好后,這個(gè)類對象可以出現(xiàn)在用戶類使用指針的任何地方,表現(xiàn)為一個(gè)指針的行為。我們可以像指針一樣使用它,而不用擔(dān)心普通成員指針?biāo)鶐淼膯栴},我們把這樣的類叫句柄類。在封裝句柄類時(shí),需要申請一個(gè)動態(tài)分配的引用計(jì)數(shù)空間,指針與引用計(jì)數(shù)分開存儲。實(shí)現(xiàn)示例如下:
class Point //基礎(chǔ)對象類
{
public:
Point(int xVal = 0, int yVal = 0):x(xVal),y(yVal) { }
int getX() const { return x; }
int getY() const { return y; }
void setX(int xVal) { x = xVal; }
void setY(int yVal) { y = yVal; }
public:
virtual Point* clone() const { //虛函數(shù),為了實(shí)現(xiàn)讓句柄類在不知道對象的確切類型的情況下分配已知對象的新副本
return new Point(*this);
}
private:
int x,y;
};
class D3Point : public Point //派生類
{
public:
D3Point(int xVal, int yVal, int zVal):Point(xVal, yVal), z(zVal) { }
int getZ() const { return z; }
void setZ(int zVal) { z = zVal; }
public:
D3Point* clone() const { //虛函數(shù),為了實(shí)現(xiàn)讓句柄類在不知道對象的確切類型的情況下分配已知對象的新副本
return new D3Point(*this);
}
private:
int z;
};
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(Point *ptr = 0):p(ptr), count(new int(1)) { } //構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr(Point &point):p(point.clone()), count(new int(1)) { } //構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr(const SmartPtr &sp):p(sp.p), count(sp.count) { ++*count; } //復(fù)制構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr& operator=(const SmartPtr &sp) { //重載賦值操作符
++*sp.count; //首先將右操作數(shù)引用計(jì)數(shù)加1,
decr_use(); //然后將引用計(jì)數(shù)減1,可以應(yīng)對自賦值
p = sp.p;
count = sp.count;
return *this;
}
~SmartPtr() { //析構(gòu)函數(shù)
decr_use();
}
public: //一般情況下不會實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)操作符,因?yàn)槲覀儾幌M脩糁苯硬倏v基礎(chǔ)對象指針
const Point* operator->() const {
if(p) return p;
else throw logic_error("Unbound Point");
}
const Point& operator*() const {
if(p) return *p;
else throw logic_error("Unbound Point");
}
private:
void decr_use() {
if(--*count == 0)
{
delete p;
delete count;
}
}
private:
Point *p; //基礎(chǔ)對象指針
int *count; //指向引用計(jì)數(shù)的指針
};
int main()
{
Point *p1 = new Point(10, 8);
SmartPtr sp1(p1);
SmartPtr sp2(sp1);
D3Point *p2 = new D3Point(5, 5, 0);
SmartPtr sp3(p2);
return 0;
}
使用該方式的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖如下:
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