C++智能指針及其簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

C++智能指針及其簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

　　本文將簡(jiǎn)要介紹智能指針shared_ptr和unique_ptr，并簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)基于引用計(jì)數(shù)的智能指針。

使用智能指針的緣由

1. 考慮下邊的簡(jiǎn)單代碼：

int?main()
{
?????int?*ptr?=?new?int(0);
?????return?0;
}

?　　就如上邊程序，我們有可能一不小心就忘了釋放掉已不再使用的內(nèi)存，從而導(dǎo)致資源泄漏（resoure leak，在這里也就是內(nèi)存泄漏）。

2. 考慮另一簡(jiǎn)單代碼：

int?main()
{
?????int?*ptr?=?new?int(0);
?????delete?ptr;
?????return?0;
}

　　我們可能會(huì)心想，這下程序應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題了？可實(shí)際上程序還是有問(wèn)題。上邊程序雖然最后釋放了申請(qǐng)的內(nèi)存，但ptr會(huì)變成空懸指針（dangling pointer，也就是野指針）?？諔抑羔槻煌诳罩羔槪╪ullptr），它會(huì)指向“垃圾”內(nèi)存，給程序帶去諸多隱患（如我們無(wú)法用if語(yǔ)句來(lái)判斷野指針）。

　　上述程序在我們釋放完內(nèi)存后要將ptr置為空，即:

ptr?=?nullptr;

　　除了上邊考慮到的兩個(gè)問(wèn)題，上邊程序還存在另一問(wèn)題：如果內(nèi)存申請(qǐng)不成功，new會(huì)拋出異常，而我們卻什么都沒(méi)有做！所以對(duì)這程序我們還得繼續(xù)改進(jìn)（也可用try...catch...）：

#includeusing?namespace?std;

int?main()
{
????int?*ptr?=?new(nothrow)?int(0);
????if(!ptr)
????{
????????cout?<<?"new?fails."
????????return?0;
????}
????delete?ptr;
????ptr?=?nullptr;
????return?0;
}

3. 考慮最后一簡(jiǎn)單代碼：

#includeusing?namespace?std;

int?main()
{
????int?*ptr?=?new(nothrow)?int(0);
????if(!ptr)
????{
????????cout?<<?"new?fails."
????????return?0;
????}
????//?假定hasException函數(shù)原型是?bool?hasException()
????if?(hasException())
????????throw?exception();
????
????delete?ptr;
????ptr?=?nullptr;
????return?0;
}

　　當(dāng)我們的程序運(yùn)行到“if(hasException())”處且“hasException()”為真，那程序?qū)?huì)拋出一個(gè)異常，最終導(dǎo)致程序終止，而已申請(qǐng)的內(nèi)存并沒(méi)有釋放掉。

　　當(dāng)然，我們可以在“hasException()”為真時(shí)釋放內(nèi)存：

//?假定hasException函數(shù)原型是?bool?hasException()
if?(hasException())
{
????????delete?ptr;
????????ptr?=?nullptr;
????????throw?exception();
}

　　但，我們并不總會(huì)想到這么做。而且，這樣子做也顯得麻煩，不夠人性化?！　?/p>

　　如果，我們使用智能指針，上邊的問(wèn)題我們都不用再考慮，因?yàn)樗家呀?jīng)幫我們考慮到了。

　　因此，我們使用智能指針的原因至少有以下三點(diǎn)：

　　1）智能指針能夠幫助我們處理資源泄露問(wèn)題；

　　2）它也能夠幫我們處理空懸指針的問(wèn)題；

　　3）它還能夠幫我們處理比較隱晦的由異常造成的資源泄露。

智能指針

　　自C++11起，C++標(biāo)準(zhǔn)提供兩大類型的智能指針：

　　1. Class shared_ptr實(shí)現(xiàn)共享式擁有（shared ownership）概念。多個(gè)智能指針可以指向相同對(duì)象，該對(duì)象和其相關(guān)資源會(huì)在“最后一個(gè)引用（reference）被銷毀”時(shí)候釋放。為了在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情境中執(zhí)行上述工作，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了weak_ptr、bad_weak_ptr和enable_shared_from_this等輔助類。

　　2. Class unique_ptr實(shí)現(xiàn)獨(dú)占式擁有（exclusive ownership）或嚴(yán)格擁有（strict ownership）概念，保證同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)智能指針可以指向該對(duì)象。它對(duì)于避免資源泄露（resourece leak）——例如“以new創(chuàng)建對(duì)象后因?yàn)榘l(fā)生異常而忘記調(diào)用delete”——特別有用。

　　注：C++98中的Class auto_ptr在C++11中已不再建議使用。

shared_ptr

　　幾乎每一個(gè)有分量的程序都需要“在相同時(shí)間的多處地點(diǎn)處理或使用對(duì)象”的能力。為此，我們必須在程序的多個(gè)地點(diǎn)指向（refer to）同一對(duì)象。雖然C++語(yǔ)言提供引用（reference）和指針（pointer），還是不夠，因?yàn)槲覀兺仨毚_保當(dāng)“指向?qū)ο蟆钡淖钅┮粋€(gè)引用被刪除時(shí)該對(duì)象本身也被刪除，畢竟對(duì)象被刪除時(shí)析構(gòu)函數(shù)可以要求某些操作，例如釋放內(nèi)存或歸還資源等等。

　　所以我們需要“當(dāng)對(duì)象再也不被使用時(shí)就被清理”的語(yǔ)義。Class shared_ptr提供了這樣的共享式擁有語(yǔ)義。也就是說(shuō)，多個(gè)shared_ptr可以共享（或說(shuō)擁有）同一對(duì)象。對(duì)象的最末一個(gè)擁有者有責(zé)任銷毀對(duì)象，并清理與該對(duì)象相關(guān)的所有資源。

　　shared_ptr的目標(biāo)就是，在其所指向的對(duì)象不再被使用之后（而非之前），自動(dòng)釋放與對(duì)象相關(guān)的資源。

　　下邊程序摘自《C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（第二版）》5.2.1節(jié)：

#include#include#include#includeusing?namespace?std;

int?main(void)
{
????//?two?shared?pointers?representing?two?persons?by?their?name
????shared_ptrpNico(new?string("nico"));
????shared_ptrpJutta(new?string("jutta"),
????????????//?deleter?(a?lambda?function)?
????????????[](string?*p)
????????????{?
????????????????cout?<<?"delete?"?<<?*p?<<?endl;
????????????????delete?p;
????????????}
????????);

????//?capitalize?person?names
????(*pNico)[0]?=?'N';
????pJutta->replace(0,?1,?"J");

????//?put?them?multiple?times?in?a?container
????vector<shared_ptr>?whoMadeCoffee;
????whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
????whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
????whoMadeCoffee.push_back(pNico);
????whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
????whoMadeCoffee.push_back(pNico);

????//?print?all?elements
????for?(auto?ptr?:?whoMadeCoffee)
????????cout?<<?*ptr?<<?"?";
????cout?<<?endl;

????//?overwrite?a?name?again
????*pNico?=?"Nicolai";

????//?print?all?elements
????for?(auto?ptr?:?whoMadeCoffee)
????????cout?<<?*ptr?<<?"?";
????cout?<<?endl;

????//?print?some?internal?data
????cout?<<?"use_count:?"?<<?whoMadeCoffee[0].use_count()?<<?endl;

????return?0;
}

　　程序運(yùn)行結(jié)果如下：

　　關(guān)于程序邏輯可見(jiàn)下圖：

　　關(guān)于程序的幾點(diǎn)說(shuō)明：

　　1）對(duì)智能指針pNico的拷貝是淺拷貝，所以當(dāng)我們改變對(duì)象“Nico”的值為“Nicolai”時(shí)，指向它的指針都會(huì)指向新值。

　　2）指向?qū)ο蟆癑utta”的有四個(gè)指針：pJutta和pJutta的三份被安插到容器內(nèi)的拷貝，所以上述程序輸出的use_count為4。

　　4）shared_ptr本身提供默認(rèn)內(nèi)存釋放器（default deleter），調(diào)用的是delete，不過(guò)只對(duì)“由new建立起來(lái)的單一對(duì)象”起作用。當(dāng)然我們也可以自己定義內(nèi)存釋放器，就如上述程序。不過(guò)值得注意的是，默認(rèn)內(nèi)存釋放器并不能釋放數(shù)組內(nèi)存空間，而是要我們自己提供內(nèi)存釋放器，如：

shared_ptrpJutta2(new?int[10],
????????//?deleter?(a?lambda?function)?
????????[](int?*p)
????????{?
????????????delete[]?p;
????????}
????);

?　　或者使用為unique_ptr而提供的輔助函數(shù)作為內(nèi)存釋放器，其內(nèi)調(diào)用delete[]：

shared_ptrp(new?int[10],?default_delete());

unique_ptr

　　unique_ptr是C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)自C++11起開(kāi)始提供的類型。它是一種在異常發(fā)生時(shí)可幫助避免資源泄露的智能指針。一般而言，這個(gè)智能指針實(shí)現(xiàn)了獨(dú)占式擁有概念，意味著它可確保一個(gè)對(duì)象和其相應(yīng)資源同一時(shí)間只被一個(gè)指針擁有。一旦擁有者被銷毀或變成空，或開(kāi)始擁有另一個(gè)對(duì)象，先前擁有的那個(gè)對(duì)象就會(huì)被銷毀，其任何相應(yīng)資源也會(huì)被釋放。

　　現(xiàn)在，本文最開(kāi)頭的程序就可以寫(xiě)成這樣啦：

#includeusing?namespace?std;

int?main()
{
????unique_ptrptr(new?int(0));
????return?0;
}

智能指針簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

　　基于引用計(jì)數(shù)的智能指針可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)如下（詳細(xì)解釋見(jiàn)程序中注釋）：

#includeusing?namespace?std;

templateclass?SmartPtr
{
public:
????SmartPtr(T?*p);
????~SmartPtr();
????SmartPtr(const?SmartPtr&orig);????????????????//?淺拷貝
????SmartPtr&?operator=(const?SmartPtr&rhs);????//?淺拷貝
private:
????T?*ptr;
????//?將use_count聲明成指針是為了方便對(duì)其的遞增或遞減操作
????int?*use_count;
};

templateSmartPtr::SmartPtr(T?*p)?:?ptr(p)
{
????try
????{
????????use_count?=?new?int(1);
????}
????catch?(...)
????{
????????delete?ptr;
????????ptr?=?nullptr;
????????use_count?=?nullptr;
????????cout?<<?"Allocate?memory?for?use_count?fails."?<<?endl;
????????exit(1);
????}

????cout?<<?"Constructor?is?called!"?<<?endl;
}

templateSmartPtr::~SmartPtr()
{
????//?只在最后一個(gè)對(duì)象引用ptr時(shí)才釋放內(nèi)存
????if?(--(*use_count)?==?0)
????{
????????delete?ptr;
????????delete?use_count;
????????ptr?=?nullptr;
????????use_count?=?nullptr;
????????cout?<<?"Destructor?is?called!"?<<?endl;
????}
}

templateSmartPtr::SmartPtr(const?SmartPtr&orig)
{
????ptr?=?orig.ptr;
????use_count?=?orig.use_count;
????++(*use_count);
????cout?<<?"Copy?constructor?is?called!"?<<?endl;
}

//?重載等號(hào)函數(shù)不同于復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，即等號(hào)左邊的對(duì)象可能已經(jīng)指向某塊內(nèi)存。
//?這樣，我們就得先判斷左邊對(duì)象指向的內(nèi)存已經(jīng)被引用的次數(shù)。如果次數(shù)為1，
//?表明我們可以釋放這塊內(nèi)存；反之則不釋放，由其他對(duì)象來(lái)釋放。
templateSmartPtr&?SmartPtr::operator=(const?SmartPtr&rhs)
{
????//?《C++?primer》：“這個(gè)賦值操作符在減少左操作數(shù)的使用計(jì)數(shù)之前使rhs的使用計(jì)數(shù)加1，
????//?從而防止自身賦值”而導(dǎo)致的提早釋放內(nèi)存
????++(*rhs.use_count);

????//?將左操作數(shù)對(duì)象的使用計(jì)數(shù)減1，若該對(duì)象的使用計(jì)數(shù)減至0，則刪除該對(duì)象
????if?(--(*use_count)?==?0)
????{
????????delete?ptr;
????????delete?use_count;
????????cout?<<?"Left?side?object?is?deleted!"?<<?endl;
????}

????ptr?=?rhs.ptr;
????use_count?=?rhs.use_count;
????
????cout?<<?"Assignment?operator?overloaded?is?called!"?<<?endl;
????return?*this;
}

　　測(cè)試程序如下：

#include#include?"smartptr.h"
using?namespace?std;

int?main()
{
????//?Test?Constructor?and?Assignment?Operator?Overloaded
????SmartPtrp1(new?int(0));
????p1?=?p1;
????//?Test?Copy?Constructor
????SmartPtrp2(p1);
????//?Test?Assignment?Operator?Overloaded
????SmartPtrp3(new?int(1));
????p3?=?p1;
????
????return?0;
}

　　測(cè)試結(jié)果如下：

參考資料

　　《C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（第二版）》　　

　　C++中智能指針的設(shè)計(jì)和使用