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C++深度探索系列:智能指针(Smart Pointer) [二] (转)

原创 IT综合 作者:worldblog 时间:2007-12-13 16:30:21 0 删除 编辑
C++深度探索系列:智能指针(Smart Pointer) [二] (转)[@more@]

  深度探索智能指针(Smart Pointer)

主题索引

一、剖析C++标准库智能指针(std::auto_ptr)
 
  1.Do you Smart Pointer?
  2.std::auto_ptr的设计原理
  3.std::auto_ptr高级使用指南
  4.你是否觉得std::auto_ptr还不够完美?

二、C++条件,寻找构造更强大的智能指针(Smart Pointer)的
  策略
 
  1.支持引用记数的多种设计策略
  2.支持处理多种资源
  3.支持Subclassing
  4.支持多线程条件下,线程安全的多种设计策略
  5.其它多种特殊要求下,再构造

三、Generic Programming基础技术和Smart Pointer
  1.回首处理资源中的Traits技术
  2.回首多线程支持的设计


四、COM实现中,Smart Pointer设计原理


五、著名C++库(标准和非标准)中的Smart Pointer现状

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二、C++条件,寻找构造更强大的智能指针(SmartPointer)的策略 
 
 
   1.支持引用记数的多种设计策略
 
  你听说过COM和它著名的IUnknown接口吧?
  IUnknown是干什么的?我要告诉你,IUnknown接口三个函数签名中,
  两个是用来管理对象(CoClass object,组件类对象)的记数来控制
  它的生命周期的.
 
  在实践中,我们的对象并不是只用一次,只允许一个引用的.

  那么,谁来管理它的生命周期呢?
 
  我们的策略是:引用记数. 当对象的引用记数为零时,就销毁对象.
  在没有托管环境的情况下,事实上,销毁对象的往往还是auto_ptr.
  而COM中,销毁对象的是对象自己.
 
  事实上,它和我们的智能指针不是一个级别上的概念.
  我们的智能指针负责的是对象级的引用.而COM是以接口引用为
  核心的.保证接口操作时,接口引用记数的自动管理.
 
  哦!是的!那么我们怎样给auto_ptr加上对象引用记数的功能?

  策略1:
 
  一个对象对应一个引用记数对象.
  智能指针以记数对象为代理.
  想象,这又归到经典的"添加中间层"解决方案上了.
 
  # 核心一:
 
  我们添加一个 "引用记数class".
  它的职责有二:
  a.维护对象的引用记数.
  b.维护对象的指针.
 
  结构示意如下:
  template
  class ObjrefCounted{
  private:
  T* m_OBJ_Delegate_Ptr;
  unsigned int m_UIcounted;
  public:
  explicit ObjRefCounted(T* m_Paramin = 0):
  m_UIcounted(1), m_OBJ_Delegate_Ptr(m_Paramin){}; 
   
  template ObjRefCounted(ObjRefCounted& x) {
  m_OBJ_Delegate_Ptr = x.m_OBJ_Delegate_Ptr);  };
 
    ObjRefCounted(const ObjRefCounted& x):m_UIcounted
  (x.m_UIcounted), m_OBJ_Delegate_Ptr(x.m_ObjDelegate_Ptr){};
  ~ObjRefCounted();
 
  void ReleaseRef ();
  void AddRef ();
  T* GetRealPointer () const;
  };
 
  # 核心二
  在智能指针中维护一个引用记数class的指针
  template
  class SmartPointer{
  public:
  ObjRefCounted* _m_ObjRefCounted;
  .....
  .....
  };
 
  通过上面的两个策略,我们就可以在智能指针构造时,为之付上一个
  引用记数对象.这个对象负责托管Smart Pointer原本应该维护
  的对象指针.并且负责最终消除对象.

  在Smart Pointer中,我们将会涉及大量的_m_ObjRefCounted的操作.
  下面简叙一过程,详细不诉,自己设计之.
  譬如:当你将一个对象指针赋给Smart Pointer将构建一辅助的
  引用记数托管对象,此时m_UIcounted为1,m_OBJ_Delegate_Ptr被赋
  以对象指针,假如现在我又将Smart Pointer 赋给另一SmartPointer2
  , 那么SmartPointer2调用_m_ObjRefCounted->ReleaseRef();
  减少原来维护的对象的记数,将自己的_m_ObjRefCounted置为
  SmartPointer2依附的记数对象,再调用_m_ObjRefCounted->AddRef();
  OK!就是这样的.


  策略2.
  在每一个智能指针内部维护一个对象指针和一个引用记数值的
  的指针.
 
  这里的重点在于维护一个引用记数值的指针,
  它使得Smart Pointer之间保持一致的记数值成为可能.
 
  结构示意如下:
  template
  class SmartPointer{
  private:
  T* m_ObjPtr;
  unsigned int* RefCounted;
  public:
  explicit SmartPoint(T* PARAMin = 0) : m_ObjPtr(PARAMin),
  RefCounted(new int(1)) { }
  SmartPoint(const SmartPoint& PARAMin2):
  m_ObjPtr(PARAMin2.m_ObjPtr),
  RefCounted(PARAMin2.RefCounted) { ++*RefCounted; }
  ....
  ...
  };
 
  不过这个方法的扩展性很差.
  因为引用记数功能结合到Smart Pointer中去了.
  一般不会用这种方法.
 
  以上面的两种策略为基础,根据实际情况,可设计出更多的记数方法.
 
 
  2.利用Traits(Partial Specialization)技术,
  支持处理多种资源
 
  在no1中,我们提到不可让auto_ptr管理数组,那是因为
  auto_ptr构析函数中调用的是delete的缘故.
  数组不可,其它的如,文件句柄、线程句柄等当然更不可以了.

  下面我们就这个问题来探讨:

  策略1.
  通过函数指针来支持多种资源的处理.
  我们的智能指针将设计成具有两个参数的模板类.
  第一个参数指示:资源的类型
  第二个参数指示:处理资源的函数类型
 
  结构示意如下:

  typedef void FreeResourceFunction(void* p);
  void DealSingleObject(void* p); 
  void DealArray(void* p);
  void DealFile(void* p);
  //
  //  针对特殊的资源加入函数指针声明
  //
  template
  class SmartPointer{ 
  public:
  ~SmartPointer(){ DealFunction(); }
  ...
  ...
  /* Other codes */
  };

  inline void DealSingle(void* p)
  { 
  if(p)  delete p;
  }

  inline void DealArray(void* p){
  if(p)  delete[] p; 
  }
 
  inline void DealFile(void* p){
  if(p)  p->close();
  } 
  //
  //针对特殊资源加入处理函数
  // 

  oK!但是我们在使用这个策略的时候,一定要注意,
  传递进的指针不能是错误的,这个你必须保证.
  当然对上面的结构示意再改造,使之具有更强的
  辨错能力也是可取的.

   3.支持Subclassing

  关于智能指针中的Subclassing,是什么?
  我们先来看一程式片段:
 
  class BaseClass {};
  class Derived : public BaseClass {};
 
  auto_ptr m_Derived;
 auto_ptr m_Base;
 
 auto_ptr pDerived = new Derived;
 m_Base = pDerived;
   //
  //m_Derived = (PDerived&)m_Base;  //#1
  //

  看到上面的#1没有,你认为在auto_ptr中,
  它或者同等语义的行为可以执行?
  不可以.为什么?
  它本质上,相当与这样的操作:
  BaseClass* m_BaseClass;
  m_BaseClass = new DerivedClass(inParam);
  这显然是非法的.
 
  在上面我们曾经,auto_ptr对具有虚拟特性的类,
  也能体现出虚拟性.

  然而那并不能访问继承的数据,实现的不是真正意义
  上的SubClassing.

  那么,我们这样来实现这样的功能.
 
  策略1.
  在上述引用记数部分叙述的SmartPoint中,我们作如下的操作:
 
  template SmartPointer& operator = (const SmartPointer& that)
  {
  if (m_pRep ! = reinterpret_cast* > (that.m_pRep))
  {
  ReleaseRef ();
  m_pRep = reinterpret_cast* > (that.m_pRep);
  AddRef ();
  }
  return *this;
  }
  };

  不错,reinterpret_cast,就是它帮我们解决了问题.

  策略2.
  关于第二种方法,这里不再详细叙说.
  它涉及太多的细节,峰回路转的很难说清.
  大体上,它是利用引用记数对象中维护的对象指针为void*
  而在具体的调用是通过static_cast或reinterpret_cast转化.
  总之,所谓的SubClassing技术离不开转化.

  4.支持多线程条件下,线程安全的多种设计策略
 
  对于标准C++,多线程问题并不很受关注.
  原因在于目前,标准库并不支持多线程.
 
  策略1:
  首先我们想到:对数据进行访问同步.
  那么,我们有两种方案:
  a. 建立一个临界区对象.将对象的执行传递给临界区对象.
  以保证安全.
  b.利用临时对象来完成任务,将临界的责任留给被作用对象.
 
  下面分析第二种的做法:
  programme1:
  class Widget
  {
  ...
  void Lock();  //进入临界区
  void Unlock(); //退出临界区
  };
 
  programme2:
  template
  class LockingProxy
  {
  public:
  LockingProxy(T* pObj) : pointee_ (pObj)
  { pointee_->Lock(); }
  //  在临时对象构造是就锁定
  //  weight对象(临界区).
  ~LockingProxy() { pointee_->Unlock(); }
  // 
  //  在临时对象销毁时,退出临界区.
  //
  T* operator->() const
  { return pointee_; }
  //
  //  这里重载->运算符.将对临时对象的方法执行
  //  请求转交给weight对象
  //
  private:
  LockingProxy& operator=(const LockingProxy&);
  T* pointee_;
  };

  programme3:
  template
  class SmartPtr
  {
  ...
  LockingProxy operator->() const
  { return LockingProxy(pointee_); }
  //
  //  核心就在这里:产生临时对象
  //  LockingProxy(pointee_)
  private:  sT* pointee_;
  };

  Programme4.
  SmartPtr sp = ...;
  sp->DoSomething();  //##1

  下面,我们模拟一下,执行的过程.
  ##1执行时,构建了临时对象LockingProxy(pointee_)
  此对象在构造期间就锁定Weight对象,并将DoSomethin()
  方法传递给weight对象执行,在方法执行完,临时对象消失,
  构析函数退出临界区.

  4.其它特殊要求下的再构造
 
  a.回首当年,你是否觉的
  auto_ptr m_SMPTR = new x(100);
  居然通不过.不爽!
  No problem !
  auto_ptr(T* m_PARAMin = 0) shrow() : m_Tp(m_PARAMin){}
  解决问题.
 
  b. Consider it:
  void fook(x* m_PARAMin){};
  可是我只有auto_ptr m_SMPTR;
  No problem !
  T* operator T*(auto_ptr& m_PARAMin) throw ()
  { return m_Tp; }
 
  fook(m_SMPTR); // ok !  now
  c.事实上,你可以根据自己的需要.
  重载更多或加入功能成员函数.

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  待续

三、Generic Programming基础技术和Smart Pointer
  1.回首处理资源中的Traits技术
  2.回首多线程支持的设计


四、COM实现中,Smart Pointer设计原理


五、著名C++库(标准和非标准)中的Smart Pointer现状

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  郑重声明:
  允许复制、修改、传递或其它行为
  但不准用于任何商业用途.
  写于  20/3/2003
  最后修改: 20/3/2003
  By RedStar81
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