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C++ primer智能指针(HasPtr)实现

IT综合 作者:dongyu2013 时间:2014-03-28 19:33:15 0 删除 编辑

智能指针显然是C++吸引人的地方之一,必须掌握。看了《C++primer》,里面着重讲了智能指针的实现方式。

书中说到:

    “HasPtr(注:就是自定义的智能指针)在其它方面的行为与普通指针一致。具体而言,复制对象时,副本和原对象将指向同一基础对象。如果通过一个副本改变基础对象,则通过另一个对象访问的值也会改变。

      新的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。


如上图所示,HasPtr就是智能指针,U_Ptr为计数器,定义如下:

  1. class U_Ptr {  
  2.     friend class HasPtr;  
  3.     int *ip;  
  4.     size_t use;  
  5.     U_Ptr(int *p) :  
  6.         ip(p), use(1) {  
  7.         cout << "U_ptr constructor called !" << endl;  
  8.     }  
  9.     ~U_Ptr() {  
  10.         delete ip;  
  11.         cout << "U_ptr distructor called !" << endl;  
  12.     }  
  13. };  
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


  1. # include   
  2. using namespace std;  
  3. class U_Ptr {  
  4.     friend class HasPtr;  
  5.     int *ip;  
  6.     size_t use;  
  7.     U_Ptr(int *p) :  
  8.         ip(p), use(1) {  
  9.         cout << "U_ptr constructor called !" << endl;  
  10.     }  
  11.     ~U_Ptr() {  
  12.         delete ip;  
  13.         cout << "U_ptr distructor called !" << endl;  
  14.     }  
  15. };  
  16. class HasPtr {  
  17. public:  
  18.     HasPtr(int *p, int i) :  
  19.         ptr(new U_Ptr(p)), val(i) {  
  20.         cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;  
  21.     }  
  22.     HasPtr(const HasPtr& orig) :  
  23.         ptr(orig.ptr), val(orig.val) {  
  24.         ++ptr->use;  
  25.         cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use  
  26.                 << endl;  
  27.     }  
  28.     HasPtr& operator=(const HasPtr&);  
  29.     ~HasPtr() {  
  30.         cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;  
  31.         if (--ptr->use == 0)  
  32.             delete ptr;  
  33.     }  
  34.     int *get_ptr() const {  
  35.         return ptr->ip;  
  36.     }  
  37.     int get_int() const {  
  38.         return val;  
  39.     }  
  40.     void set_ptr(int *p) const {  
  41.         ptr->ip = p;  
  42.     }  
  43.     void set_int(int i) {  
  44.         val = i;  
  45.     }  
  46.     int get_ptr_val() const {  
  47.         return *ptr->ip;  
  48.     }  
  49.     void set_ptr_val(int i) {  
  50.         *ptr->ip = i;  
  51.     }  
  52. private:  
  53.     U_Ptr *ptr;  
  54.     int val;  
  55. };  
  56. 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  
  57.     ++rhs.ptr->use;  
  58.     if (--ptr->use == 0)  
  59.         delete ptr;  
  60.     ptr = rhs.ptr;  
  61.     val = rhs.val;  
  62.     return *this;  
  63. }  
  64. int main() {  
  65.     int *pi = new int(0);  
  66.     HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100);  
  67.     HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa);  
  68.     HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb);  
  69.     HasPtr hpd = *hpa;  
  70.   
  71.     cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;  
  72.     hpc->set_ptr_val(10000);  
  73.     cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;  
  74.     hpd.set_ptr_val(10);  
  75.     cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;  
  76.     delete hpa;  
  77.     delete hpb;  
  78.     delete hpc;  
  79.     cout << hpd.get_ptr_val() << endl;  
  80.     return 0;  
  81. }  

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:


现在,我要做赋值操作,p2 = p1。对比着上面的

  1. HasPtr& HasPtr::operator =(const HasPtr &rhs)  
此时,rhs就是p1,首先将p1指向的ptr的use加1,
  1. ++rhs.ptr->use;  
然后,做:


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

  1. ptr = rhs.ptr;  
  2. val = rhs.val;  
  3. 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:



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:


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,一来就可以按常规那样:

  1. ifthis == &rhs)  
  2.     return *this;  


运行结果:

U_ptr constructor called !
HasPtr constructor called ! use = 1
HasPtr copy constructor called ! use = 2
HasPtr copy constructor called ! use = 3
HasPtr copy constructor called ! use = 4
0 0
10000 10000
10 10
HasPtr distructor called ! use = 4
HasPtr distructor called ! use = 3
HasPtr distructor called ! use = 2
10
HasPtr distructor called ! use = 1
U_ptr distructor called !

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