智能指针(一):STL auto_ptr实现原理

智能指针实际上是一个类(class),里面封装了一个指针.它的用处是啥呢?

指针与内存

说到指针自然涉及到内存.我们如果是在堆栈(stack)中分配了内存,用完后由系统去负责释放.如果是自定义类型,就会自动的去调用你的析构函数.

但如果是在堆(heap)中分配了内存,也就是用malloc或者new.那只能自动手动的使用free或delete去释放.所以使用heap时处理的不好很容易出现啥内存泄露(内存没有释放掉).或者如果你delete一次了,但没让它赋值为0,然后再delete一次就导致未定义行为了.

于是你想如果系统能也像管理stack一样来管理你的heap区域.不用再担心内存的分配与释放该多好啊.事实上Java,C#都这样去做了.也给你去管理heap区域了(所有的自定义类型实例化时都去heap区域获取内存了.也没于提供指针的功能.你想自己去释放内存都不给你这机会了.JVM或者CLR会在后台自动的去给你释放掉那些不用的内存.当然这样一来效率自然没有你手动释放来的高了.)

假如有一个指针指向一块分配的内存,智能指针就是把该指针封装起来,然后用完了会自动去释放内存(通过智能指针类的析构函数).这样你就不用担心没有去释放内存了.当然并不是说你使用了智能指针就能像使用Java,C#一样不用再担心内存问题了.智能指针在使用的时候还会存在很多的问题.

据说JVM,CRL也是用(c与c++)实现的.不知道那里面也有用到智能指针不.

智能指针的实现

如果你自己要封装一个指针你会咋整呢?

1.基础版本(构造函数和析构函数)

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class my_autoptr
{
public:
T *m_ptr;
public:
my_autoptr(T* ptr=NULL) :m_ptr(ptr)
{
cout << "my_autoptr()" << endl;
}
~my_autoptr()
{
cout << "~my_autoptr()" << endl;
delete m_ptr;
}

};

int main()
{
my_autoptr<int> myptr = new int(1); // 等价int* ip = new int(1)但这样你得手动delete ip;而用了智能指针就不用手动delete了.
cout << *myptr.m_ptr << endl; //相当于cout<<*ip;
return 0;
}

2.改进版本(重载运算符使类用起来像指针)

上面的的精简版本用起来还挺麻烦.我们是希望封装了指针类用起来跟指针本身一样才好.所以需要重载-> , *等运算符

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class my_autoptr
{
private:
T * m_ptr;
public:
my_autoptr(T*ptr) :m_ptr(ptr){}
~my_autoptr()
{
delete m_ptr;
}
T& operator*()const
{
return  *m_ptr;
}
T* operator->()const
{
return m_ptr;
}
};

class AlienWare
{

public:
void Run()
{
cout << "I am Running" << endl;
}
void Show()
{
cout << "I am AlienWare" << endl;
}

};

int main()
{
my_autoptr<AlienWare> mptr = new AlienWare();
mptr->Show();

(*mptr).Run();

return 0;
}

3.完善版本(复制构造)

一个完善点的类往往还涉及到拷贝构造函数的一些操作.也可以做把另外一个智能指针类做为构造函数的参数,或者通过=给一个类赋值

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class my_autoptr
{
private:
T * m_ptr;
T *GetPtr()
{
T*tmp = m_ptr;
m_ptr = NULL;
return tmp;
}
public:
explicit my_autoptr(T*ptr=NULL) :m_ptr(ptr){}
my_autoptr(my_autoptr &mp)
{
m_ptr = mp.GetPtr();
}
my_autoptr& operator=(my_autoptr& ap)
{
if (&ap != this)
{
delete m_ptr;
m_ptr = ap.GetPtr();
}
return *this;
}

~my_autoptr()
{
delete m_ptr;
}
T& operator*()const
{
return  *m_ptr;
}
T* operator->()const
{
return m_ptr;
}
void reset(T* p)
{
//指针重置,相当于把指针指向另外一个地方去
if (p != m_ptr)
delete m_ptr;
m_ptr = p;

}
};

class AlienWare
{
private:
string name;

public:
AlienWare(string name="") :name(name){}
AlienWare(AlienWare& a)
{
name = a.name;
}
AlienWare &operator = (const AlienWare&a)
{
if (&a != this)
{
name = a.name;
}
return *this;
}
~AlienWare()
{

}
string GetName()
{
return name;
}

void Run()
{
cout << "I am Running" << endl;
}
void Show()
{
cout << "I am AlienWare" << endl;
}
};

int main()
{
my_autoptr<AlienWare> mptr(new AlienWare());
mptr->Show();

(*mptr).Run();

my_autoptr<AlienWare> mptr1(mptr);//call copy construct

my_autoptr<AlienWare> mptr2(new AlienWare("AlienWare"));
mptr2 = mptr1;//call "=" assignment
//此时mptr1对象中的指针是NULL
//mptr1->GetName();//重载了->，但是指针为空。此处出现奔溃
mptr1->Show();//竟然没有是，所以尝试了下下面的代码。空指针可有调用Show的方法

AlienWare *p = NULL;
p->Show();

AlienWare a1("AlienWare");
AlienWare a2(a1);
a2=a1;

return 0;
}

4.源码（C++ STL的auto_ptr实现（位于memory头文件中））

// auto_ptr implementation -*- C++ -*-

// Copyright (C) 2007, 2008, 2009, 2010 Free Software Foundation, Inc.
//
// This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free
// software; you can redistribute it and/or modify it under the
// terms of the GNU General Public License as published by the
// Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
// any later version.
// 代码地址：http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/libstdc++-api-4.5/a00745_source.html

#ifndef _BACKWARD_AUTO_PTR_H
#define _BACKWARD_AUTO_PTR_H 1

template<typename _Tp>
class auto_ptr
{
private:
_Tp* _M_ptr;

public:
/// The pointed-to type.
typedef _Tp element_type;

explicit
auto_ptr(element_type* __p = 0) throw() : _M_ptr(__p) { }

auto_ptr(auto_ptr& __a) throw() : _M_ptr(__a.release()) { }

template<typename _Tp1>
auto_ptr(auto_ptr<_Tp1>& __a) throw() : _M_ptr(__a.release()) { }

auto_ptr& operator=(auto_ptr& __a) throw()
{
reset(__a.release());
return *this;
}

template<typename _Tp1>
auto_ptr& operator=(auto_ptr<_Tp1>& __a) throw()
{
reset(__a.release());
return *this;
}

~auto_ptr() { delete _M_ptr; }

element_type& operator*() const throw()
{
//就相当于一个Assert
_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT(_M_ptr != 0);
return *_M_ptr;
}

element_type* operator->() const throw()
{
_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT(_M_ptr != 0);
return _M_ptr;
}

element_type* get() const throw() { return _M_ptr; }

element_type* release() throw()
{
element_type* __tmp = _M_ptr;
_M_ptr = 0;
return __tmp;
}

void reset(element_type* __p = 0) throw()
{
if (__p != _M_ptr)
{
delete _M_ptr;
_M_ptr = __p;
}
}
};

#endif /* _BACKWARD_AUTO_PTR_H */

使用上面的代码：

#include<iostream>
#include"auto_ptr.h"
using namespace std;

class AlienWare
{
private:
string name;

public:
AlienWare(string name = "") :name(name){}
AlienWare(AlienWare& a)
{
name = a.name;
}
AlienWare &operator = (const AlienWare&a)
{
if (&a != this)
{
name = a.name;
}
return *this;
}
~AlienWare()
{

}
string GetName()
{
return name;
}

void Run()
{
cout << "I am Running" << endl;
}
void Show()
{
cout << "I am AlienWare" << endl;
}
};

int main()
{
my_auto_ptr<AlienWare> ptr(new AlienWare());
ptr->Show();
my_auto_ptr<AlienWare> ptr1(ptr);//ptr失去所有权，被包装的指针指向空

return 0;
}

5.auto_ptr的缺陷

上面我实现的my_auto_ptr基本上是实现了auto_ptr的所有核心功能.从中我们可以明显的看到一个很大缺陷.我们看到当通过复构造函数,通过操作符=赋值后,原来的那个智能指针对象就失效了.只有新的智能指针对象可以有效使用了.用个专业点的说法叫所有权的转移.被包装的指针指向的内存块就像是一份独享占用的财产,当通过复制构造,通过=赋值传给别的智能指针对象时,原有的对象就失去了对那块内存区域的拥有权.也就是说任何时候只能有一个智能指针对象指向那块内存区域,不能有两个对象同时指向那块内存区域.

这样一来auto_ptr不能做为STL中容器的元素,为啥呢? 因为容器中经常存在值拷贝的情况嘛,把一个容器对象直接赋值给另一对象.完了之后两个容器对象可得都能用啊.而如果是auto_ptr的话显然赋值后只能一个有用,另一个完全报废了.另外比如你有个变量auto_ptr<int> ap( new int(44) ); 然后ap被放进一个容器后,ap就报废不能用了.

不过没办法啊,在c++ 11标准之前,现在我们大部分用的是98标准吧,STL里面只有auto_ptr这一种智能指针.而在11标准中除了auto_ptr还有如下三种:

unique_ptr

smart pointer with unique object ownership semantics

只能有一个主人的指针，可以用于STL容器

shared_ptr

smart pointer with shared object ownership semantics

可共享的指针

weak_ptr

weak reference to an object managed by std::shared_ptr

弱引用指针