C++中智能指针的设计和使用

末蓝、 2022-06-11 01:25 162阅读 0赞

转载请标明出处，原文地址：[http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7561235][http_blog.csdn.net_hackbuteer1_article_details_7561235]  
智能指针(smart pointer)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(reference count)。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：

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  template <class T>
2.  class smartpointer
3.  \{
4.  private:
5.  T \*\_ptr;
6.  public:
7.  smartpointer(T \*p) : \_ptr(p) //构造函数
8.  \{
9.  \}
10. T& operator \*() //重载\*操作符
11. \{
12. return \*\_ptr;
13. \}
14. T\* operator ->() //重载->操作符
15. \{
16. return \_ptr;
17. \}
18. ~smartpointer() //析构函数
19. \{
20. delete \_ptr;
21. \}
22. \};

template <class T>
    class smartpointer
    {
    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：

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  // 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
2.  // 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
3.  // 将HasPtr类设置为友元，使其成员可以访问U\_Ptr的成员
4.  class U\_Ptr
5.  \{
6.  friend class HasPtr;
7.  int \*ip;
8.  size\_t use;
9.  U\_Ptr(int \*p) : ip(p) , use(1)
10. \{
11. cout << "U\_ptr constructor called !" << endl;
12. \}
13. ~U\_Ptr()
14. \{
15. delete ip;
16. cout << "U\_ptr distructor called !" << endl;
17. \}
18. \};

// 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
    class U_Ptr
    {
    	friend class HasPtr;
    	int *ip;
    	size_t use;
    	U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
    	{
    		cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
    	}
    	~U_Ptr()
    	{
    		delete ip;
    		cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
    	}
    };

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。  
![1336880293_9936.jpg][]  
 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delete p2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：

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  \#include<iostream>
2.  using namespace std;
3.  
4.  // 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
5.  // 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
6.  // 将HasPtr类设置为友元，使其成员可以访问U\_Ptr的成员
7.  class U\_Ptr
8.  \{
9.  friend class HasPtr;
10. int \*ip;
11. size\_t use;
12. U\_Ptr(int \*p) : ip(p) , use(1)
13. \{
14. cout << "U\_ptr constructor called !" << endl;
15. \}
16. ~U\_Ptr()
17. \{
18. delete ip;
19. cout << "U\_ptr distructor called !" << endl;
20. \}
21. \};
22. 
23. class HasPtr
24. \{
25. public:
26. // 构造函数：p是指向已经动态创建的int对象指针
27. HasPtr(int \*p, int i) : ptr(new U\_Ptr(p)) , val(i)
28. \{
29. cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
30. \}
31. 
32. // 复制构造函数：复制成员并将使用计数加1
33. HasPtr(const HasPtr& orig) : ptr(orig.ptr) , val(orig.val)
34. \{
35. \++ptr->use;
36. cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
37. \}
38. 
39. // 赋值操作符
40. HasPtr& operator=(const HasPtr&);
41. 
42. // 析构函数：如果计数为0，则删除U\_Ptr对象
43. ~HasPtr()
44. \{
45. cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
46. if (--ptr->use == 0)
47. delete ptr;
48. \}
49. 
50. // 获取数据成员
51. int \*get\_ptr() const
52. \{
53. return ptr->ip;
54. \}
55. int get\_int() const
56. \{
57. return val;
58. \}
59. 
60. // 修改数据成员
61. void set\_ptr(int \*p) const
62. \{
63. ptr->ip = p;
64. \}
65. void set\_int(int i)
66. \{
67. val = i;
68. \}
69. 
70. // 返回或修改基础int对象
71. int get\_ptr\_val() const
72. \{
73. return \*ptr->ip;
74. \}
75. void set\_ptr\_val(int i)
76. \{
77. \*ptr->ip = i;
78. \}
79. private:
80. U\_Ptr \*ptr; //指向使用计数类U\_Ptr
81. int val;
82. \};
83. HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &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
84. \{
85. // 增加右操作数中的使用计数
86. \++rhs.ptr->use;
87. // 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
88. if (--ptr->use == 0)
89. delete ptr;
90. ptr = rhs.ptr; // 复制U\_Ptr指针
91. val = rhs.val; // 复制int成员
92. return \*this;
93. \}
94. 
95. int main(void)
96. \{
97. int \*pi = new int(42);
98. HasPtr \*hpa = new HasPtr(pi, 100); // 构造函数
99. HasPtr \*hpb = new HasPtr(\*hpa); // 拷贝构造函数
100. HasPtr \*hpc = new HasPtr(\*hpb); // 拷贝构造函数
101. HasPtr hpd = \*hpa; // 拷贝构造函数
102. 
103. cout << hpa->get\_ptr\_val() << " " << hpb->get\_ptr\_val() << endl;
104. hpc->set\_ptr\_val(10000);
105. cout << hpa->get\_ptr\_val() << " " << hpb->get\_ptr\_val() << endl;
106. hpd.set\_ptr\_val(10);
107. cout << hpa->get\_ptr\_val() << " " << hpb->get\_ptr\_val() << endl;
108. delete hpa;
109. delete hpb;
110. delete hpc;
111. cout << hpd.get\_ptr\_val() << endl;
112. return 0;
113. \}

#include<iostream>
    using namespace std;
    
    // 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
    class U_Ptr
    {
        friend class HasPtr;
        int *ip;
        size_t use;
        U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
        {
            cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
        }
        ~U_Ptr()
        {
            delete ip;
            cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
        }
    };
    
    class HasPtr
    {
    public:
        // 构造函数：p是指向已经动态创建的int对象指针
        HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)
        {
            cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
        }
    
        // 复制构造函数：复制成员并将使用计数加1
        HasPtr(const HasPtr& orig) : ptr(orig.ptr) , val(orig.val)
        {
            ++ptr->use;
            cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
        }
    
        // 赋值操作符
        HasPtr& operator=(const HasPtr&);
    
        // 析构函数：如果计数为0，则删除U_Ptr对象
        ~HasPtr()
        {
            cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
            if (--ptr->use == 0)
                delete ptr;
        }
    
        // 获取数据成员
        int *get_ptr() const
        {
            return ptr->ip;
        }
        int get_int() const
        {
            return val;
        }
    
        // 修改数据成员
        void set_ptr(int *p) const
        {
            ptr->ip = p;
        }
        void set_int(int i)
        {
            val = i;
        }
    
        // 返回或修改基础int对象
        int get_ptr_val() const
        {
            return *ptr->ip;
        }
        void set_ptr_val(int i)
        {
            *ptr->ip = i;
        }
    private:
        U_Ptr *ptr;   //指向使用计数类U_Ptr
        int val;
    };
    HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &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)
            delete ptr;
        ptr = rhs.ptr;   // 复制U_Ptr指针
        val = rhs.val;   // 复制int成员
        return *this;
    }
    
    int main(void)
    {
        int *pi = new int(42);
        HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100);    // 构造函数
        HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa);     // 拷贝构造函数
        HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb);     // 拷贝构造函数
        HasPtr hpd = *hpa;     // 拷贝构造函数
    
        cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
        hpc->set_ptr_val(10000);
        cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
        hpd.set_ptr_val(10);
        cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
        delete hpa;
        delete hpb;
        delete hpc;
        cout << hpd.get_ptr_val() << endl;
        return 0;
    }

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：  
![1336881867_1667.jpg][]  
现在，我要做赋值操作，p2 = p1。对比着上面的

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  HasPtr& operator=(const HasPtr&); // 赋值操作符

HasPtr& operator=(const HasPtr&);   // 赋值操作符

此时，rhs就是p1，首先将p1指向的ptr的use加1，

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  \++rhs.ptr->use; // 增加右操作数中的使用计数

++rhs.ptr->use;     // 增加右操作数中的使用计数

然后，做：

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  if (--ptr->use == 0)
2.  delete ptr;

if (--ptr->use == 0)
    		delete ptr;

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delete ip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：

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  ptr = rhs.ptr; // 复制U\_Ptr指针
2.  val = rhs.val; // 复制int成员
3.  return \*this;

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：  
![1336882177_2346.jpg][]  
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：  
![1336882208_4909.jpg][]  
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：

**\[cpp\]**  view plain  copy

print ?

1.  if(this == &rhs)
2.  return \*this;

if(this == &rhs)
    		return *this;

运行结果如下图：  
![1336882416_3973.png][]

转载请标明出处，原文地址：[http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7561235][http_blog.csdn.net_hackbuteer1_article_details_7561235]

[http_blog.csdn.net_hackbuteer1_article_details_7561235]: http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7561235
[1336880293_9936.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336880293_9936.jpg
[1336881867_1667.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336881867_1667.jpg
[1336882177_2346.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336882177_2346.jpg
[1336882208_4909.jpg]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336882208_4909.jpg
[1336882416_3973.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201205/13/1336882416_3973.png