C++ 智能指針深入解析

來源：本站原創(chuàng)|時間：2020-01-10|欄目：C語言|點擊：次

1. 為什么需要智能指針？
簡單的說，智能指針是為了實現(xiàn)類似于Java中的垃圾回收機制。Java的垃圾回收機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，其繁雜且易出錯的內(nèi)存管理也一直為廣大程序員所詬病。

更進一步地說，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)制指針時只復(fù)制指針中的地址，而不會復(fù)制指針指向的對象。當類的實例在析構(gòu)的時候，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），當復(fù)制該值型對象時，會得到一個不同的新副本。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，實現(xiàn)這種方式的指針所指向的對象是共享的。

2. 智能指針的實現(xiàn)概述
智能指針(smart pointer)的一種通用實現(xiàn)技術(shù)是使用引用計數(shù)(reference count)。智能指針類將一個計數(shù)器與類指向的對象相關(guān)聯(lián)，引用計數(shù)跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。
每次創(chuàng)建類的新對象時，初始化指針并將引用計數(shù)置為1；當對象作為另一對象的副本而創(chuàng)建時，拷貝構(gòu)造函數(shù)拷貝指針并增加與之相應(yīng)的引用計數(shù)；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左操作數(shù)所指對象的引用計數(shù)（如果引用計數(shù)為減至0，則刪除對象），并增加右操作數(shù)所指對象的引用計數(shù)；調(diào)用析構(gòu)函數(shù)時，構(gòu)造函數(shù)減少引用計數(shù)（如果引用計數(shù)減至0，則刪除基礎(chǔ)對象）。
實現(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. 實現(xiàn)方式1：引入輔助類
這種方式定義一個單獨的具體類（RefPtr）來封裝指針和相應(yīng)的引用計數(shù)。

復(fù)制代碼代碼如下:

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; }

private:
     int x,y;
};
class RefPtr                                  //輔助類
{    //該類成員訪問權(quán)限全部為private，因為不想讓用戶直接使用該類
     friend class SmartPtr;                                  //定義智能指針類為友元，因為智能指針類需要直接操縱輔助類
     RefPtr(Point *ptr):p(ptr), count(1) { }
     ~RefPtr() { delete p; }
     int count;                                                     //引用計數(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)引用計數(shù)加1，
     if(--rp->count == 0)                                                                     //然后將引用計數(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)                                  //當引用計數(shù)減為0時，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. 實現(xiàn)方式2：使用句柄類
為了避免上面方案中每個使用指針的類自己去控制引用計數(shù)，可以用一個類把指針封裝起來。封裝好后，這個類對象可以出現(xiàn)在用戶類使用指針的任何地方，表現(xiàn)為一個指針的行為。我們可以像指針一樣使用它，而不用擔心普通成員指針所帶來的問題，我們把這樣的類叫句柄類。在封裝句柄類時，需要申請一個動態(tài)分配的引用計數(shù)空間，指針與引用計數(shù)分開存儲。實現(xiàn)示例如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

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)引用計數(shù)加1，
         decr_use();                                             //然后將引用計數(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:                                   //一般情況下不會實現(xiàn)這兩個操作符，因為我們不希望用戶直接操縱基礎(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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