智能指针的理解 和 简单实现

Why Smart Pointer?

为什么需要智能指针？因为c++的内存管理一直是个令人头疼的问题。

假如我们有如下person对象：每个person有自己的名字，并且可以告诉大家他叫什么名字：

[cpp] view
plain copy

//  

//a person who can tell us his/her name.  

//  

#include<iostream>  

#include<string>  

using namespace std;  

class person{  

public:  

    person(string);  

    void tell();  

    ~person();  

private:  

    string name;        

};  

  

person::person(string name):name(name){  

  

}  

  

void person::tell(){  

    cout << "Hi! I am " << name << endl;  

}  

  

person::~person(){  

    cout << "Bye!" << endl;  

}  

很多时候，我们并不知道自己要创建多少个对象，因此需要在程序运行中动态地创建和销毁对象- -这时我们会使用new操作符在堆（heap）中为创建的对象分配内存，使用delete释放分配的内存。一个简单的示例：

[cpp] view
plain copy

#include "person.h"  

int main(){  

    person *p = new person("Cici");  

    p -> tell();  

    delete p;  

}  

程序的执行结果：



简单的程序我们当然不会忘记释放堆中分配的对象。但是当程序复杂时，成千上万对象被动态的创建，而在不使用这些对象时，都需要及时的释放，否则就会造成内存泄露（memory leak）。内存泄露是c++程序中最常见的问题之一，因为c++本身并没有提供自动堆内存管理的功能，所以，所有这些任务都交给了程序员自己--程序员必须对自己动态创建的堆对象负责：在对象不需要被使用时及时地销毁对象。然而，程序员不是万能的，所以内存泄露，总是成为c++程序的常见bug。

这里不得不提到的是java，java增加了垃圾回收机制（garbage collection），jvm会自己管理那些不被使用到的对象并及时销毁他们，这大大减轻了程序员的负担，程序员只需要new自己需要的对象而不必去释放他们，因为，在对象不被使用（被引用）时，垃圾回收器会替我们清理残骸。java也因为这一特性而广受关注。

STL auto_ptr

c++程序员们当然也不甘寂寞，stl中有了“智能指针”：stl::auto_ptr。使用智能指针，我们就可以不必关心对象的释放，因为智能指针会帮助我们完成对象内存空间的释放。有了auto_ptr，我们的程序可以这样写了：

[cpp] view
plain copy

#include "person.h"  

#include<memory>  

using namespace std;  

int main(){  

    auto_ptr<person> p(new person("Cici"));  

    p -> tell();  

    //we don't have to delete p because smart pointer will handle this  

    //delete p;  

}  

执行程序，输出如下：



可以看到输出和我们的第一个版本一模一样。虽然我们并没有delete我们创建的对象，但是可以看到，它已经在程序退出之前被正确的析构了。

简单的smart_ptr
通过上面的示例，看到stl的auto_ptr的用法，于是我们可以先总结下一个应该具备的基本功能：
1，对所指向的对象，能够自动释放
2，重载了“->”操作符，我们在使用smart_ptr时，能够像普通指针一样使用“->”访问其所指向的对象的成员
3，重载了“*”解引用操作符，同上
那么，如何实现对象的自动释放呢？
我们知道，对于局部对象，其生存周期是对象所在的局部作用域（一般是程序中的“{ }”之间），而在程序跑出局部对象的作用域之后，这些局部对象就会被自动销毁（这时对象的析构函数也会被调用）。所以我们的smart_ptr可以在其析构函数中显式delete所指向的对象，这样我们指向的对象也会在smart_ptr作用域之外被释放。所以我们可以这样实现我们自己的smart_ptr:

[cpp] view
plain copy

//  

//our simple smart pointer  

//  

#include "person.h"  

class smart_ptr{  

public:  

    smart_ptr(person* p);  

    ~smart_ptr();  

    person& operator*();  

    person* operator->();  

private:  

    person *ptr;  

};  

  

smart_ptr::smart_ptr(person* p):ptr(p){  

      

}  

  

smart_ptr::~smart_ptr(){  

    delete ptr;  

}  

  

person&  smart_ptr::operator*(){  

    return *ptr;  

}  

  

person* smart_ptr::operator->(){  

    return ptr;  

}  

来测试一下这个简单的smart_ptr:

[cpp] view
plain copy

#include "smart_ptr.h"  

using namespace std;  

int main(){  

    smart_ptr p(new person("Cici"));  

    p -> tell();  

    //we don't have to delete p because smart pointer will handle this  

    //delete p;  

}  

运行结果：



哈哈，我们的smart_ptr正常工作了。
但是可以看到，这样的smart_ptr有很大的缺点，我们的智能指针只能指向我们的person对象，我们需要他指向新的对象时岂不是又要依葫芦画瓢写一个新的smart_ptr么？显然，这是c++，我们当然有更通用的方法：模板。我们可以使用模板使我们的smart_ptr在编译时决定它指向的对象，所以改进的版本：

[cpp] view
plain copy

//  

//our simple smart pointer  

//  

template <typename T>  

class smart_ptr{  

public:  

    smart_ptr(T* p);  

    ~smart_ptr();  

    T& operator*();  

    T* operator->();  

private:  

    T* ptr;  

};  

  

template <typename T>  

smart_ptr<T>::smart_ptr(T* p):ptr(p){  

      

}  

  

template <typename T>  

smart_ptr<T>::~smart_ptr(){  

    delete ptr;  

}  

  

template <typename T>  

T&  smart_ptr<T>::operator*(){  

    return *ptr;  

}  

  

template <typename T>  

T* smart_ptr<T>::operator->(){  

    return ptr;  

}  

引用计数

我们的smart_ptr是不是完美了呢？看看下面这种情况：

[cpp] view
plain copy

#include "person.h"  

#include "smart_ptr.h"  

using namespace std;  

int main(){  

    smart_ptr<person> p(new person("Cici"));  

    p -> tell();  

    {  

        smart_ptr<person> q = p;  

        q -> tell();  

    }  

}  

执行一下：



程序出错了。分析一下很容易找到原因：我们的智能指针q在程序跑出自己的作用域后就释放了指向的person对象，而我们的指针p由于和q指向的同一对象，所以在程序退出时企图再次释放一个已经被释放的对象，显然会出现经典的segmentation fault异常了。所以，我们“简单的”smart_ptr是过于“简单”了。

有什么办法解决这个问题呢？想想操作系统中的文件引用计数器。操作系统为每个打开的文件维护一个“引用计数”，当多个进程同时打开一个文件时系统会依次将引用计数加1。若某个进程关闭了某个文件此时文件不会立即被关闭，系统只是将引用计数减1，当引用计数为0时表示这时已经没用人使用这个文件了，系统才会把文件资源释放。所以这里，我们也可以为smart_ptr所指向的对象维护一个引用计数，当有新的smart_ptr指向这个对象时我们将引用计数加1，smart_ptr被释放时我们只是将引用计数减一；当引用计数减为0时，我们才真正的销毁smart_ptr所指向的对象。

另外，我们之前的smart_ptr还缺少无参构造函数，拷贝构造函数和对“=”运算符的重载。我们之前的版本并没有重载“=”运算符但程序依然可以正常执行，这是因为此时使用了编译器的合成版本，这也是不安全的（尽管这里没有发现问题）。

好吧，下面是最终的修改版本（添加的部分我特意都添加了注释）：

[cpp] view
plain copy

//  

//smart_ptr.h : our simple smart pointer  

//  

template <typename T>  

class smart_ptr{  

public:  

    //add a default constructor  

    smart_ptr();  

    //  

    smart_ptr(T* p);  

    ~smart_ptr();  

    T& operator*();  

    T* operator->();  

    //add assignment operator and copy constructor  

    smart_ptr(const smart_ptr<T>& sp);  

    smart_ptr<T>& operator=(const smart_ptr<T>& sp);  

    //  

private:  

    T* ptr;  

    //add a pointer which points to our object's referenct counter  

    int* ref_cnt;  

    //  

};  

  

template <typename T>  

smart_ptr<T>::smart_ptr():ptr(0),ref_cnt(0){  

    //create a ref_cnt here though we don't have any object to point to  

    ref_cnt = new int(0);  

    (*ref_cnt)++;  

}  

  

template <typename T>  

smart_ptr<T>::smart_ptr(T* p):ptr(p){  

    //we create a reference counter in heap  

    ref_cnt = new int(0);  

    (*ref_cnt)++;  

}  

  

template <typename T>  

smart_ptr<T>::~smart_ptr(){  

    //delete only if our ref count is 0  

    if(--(*ref_cnt) == 0){  

        delete ref_cnt;  

        delete ptr;  

    }  

}  

  

template <typename T>  

T&  smart_ptr<T>::operator*(){  

    return *ptr;  

}  

  

template <typename T>  

T* smart_ptr<T>::operator->(){  

    return ptr;  

}  

  

template <typename T>  

smart_ptr<T>::smart_ptr(const smart_ptr<T>& sp):ptr(sp.ptr),ref_cnt(sp.ref_cnt){  

    (*ref_cnt)++;  

}  

  

template <typename T>  

smart_ptr<T>& smart_ptr<T>::operator=(const smart_ptr<T>& sp){  

    if(&sp != this){  

        //we shouldn't forget to handle the ref_cnt our smart_ptr previously pointed to  

        if(--(*ref_cnt) == 0){  

            delete ref_cnt;  

            delete ptr;  

        }  

        //copy the ptr and ref_cnt and increment the ref_cnt  

        ptr = sp.ptr;  

        ref_cnt = sp. ref_cnt;  

        (*ref_cnt)++;  

    }  

    return *this;  

}  

为了测试我们的smart_ptr的全部功能，这里测试用例也做一些增加：

[cpp] view
plain copy

#include "person.h"  

#include "smart_ptr.h"  

using namespace std;  

int main(){  

    smart_ptr<person> r;  

    smart_ptr<person> p(new person("Cici"));  

    p -> tell();  

    {  

        smart_ptr<person> q = p;  

        q -> tell();  

        r = q;  

        smart_ptr<person> s(r);  

        s -> tell();  

    }  

    r -> tell();  

}  

执行结果如下：



可以看到，我们的Cici对象只有在最后才被销毁，我们的smart_ptr终于顺利完成任务了。

ps：

写到这里，我们的smart_ptr是否完美了呢？No。

比如：我们的对象如果被多个线程中的smart_ptr引用，我们的smart_ptr就又有出问题的隐患了，因为这里根本没有考虑线程对ref_cnt访问的互斥，所以我们的引用计数是有可能出现计数问题的。这里就不再实现了，毕竟，我们这里的smart_ptr只是是“简单的”实现~

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