智能指针的设计和使用.docx
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智能指针的设计和使用.docx
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智能指针的设计和使用
智能指针(smartpointer)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(referencecount)。
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:
template
classsmartpointer
{
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:
//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
classU_Ptr
{
friendclassHasPtr;
int*ip;
size_tuse;
U_Ptr(int*p):
ip(p),use
(1)
{
cout<<"U_ptrconstructorcalled!
"< } ~U_Ptr() { deleteip; cout<<"U_ptrdistructorcalled! "< } }; 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;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deletep2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: #include usingnamespacestd; //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 classU_Ptr { friendclassHasPtr; int*ip; size_tuse; U_Ptr(int*p): ip(p),use (1) { cout<<"U_ptrconstructorcalled! "< } ~U_Ptr() { deleteip; cout<<"U_ptrdistructorcalled! "< } }; classHasPtr { public: //构造函数: p是指向已经动态创建的int对象指针 HasPtr(int*p,inti): ptr(newU_Ptr(p)),val(i) { cout<<"HasPtrconstructorcalled! "<<"use="< } //复制构造函数: 复制成员并将使用计数加1 HasPtr(constHasPtr&orig): ptr(orig.ptr),val(orig.val) { ++ptr->use; cout<<"HasPtrcopyconstructorcalled! "<<"use="< } //赋值操作符 HasPtr&operator=(constHasPtr&); //析构函数: 如果计数为0,则删除U_Ptr对象 ~HasPtr() { cout<<"HasPtrdistructorcalled! "<<"use="< if(--ptr->use==0) deleteptr; } //获取数据成员 int*get_ptr()const { returnptr->ip; } intget_int()const { returnval; } //修改数据成员 voidset_ptr(int*p)const { ptr->ip=p; } voidset_int(inti) { val=i; } //返回或修改基础int对象 intget_ptr_val()const { return*ptr->ip; } voidset_ptr_val(inti) { *ptr->ip=i; } private: U_Ptr*ptr;//指向使用计数类U_Ptr intval; }; HasPtr&HasPtr: : operator=(constHasPtr&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) deleteptr; ptr=rhs.ptr;//复制U_Ptr指针 val=rhs.val;//复制int成员 return*this; } intmain(void) { int*pi=newint(42); HasPtr*hpa=newHasPtr(pi,100);//构造函数 HasPtr*hpb=newHasPtr(*hpa);//拷贝构造函数 HasPtr*hpc=newHasPtr(*hpb);//拷贝构造函数 HasPtrhpd=*hpa;//拷贝构造函数 cout< hpc->set_ptr_val(10000); cout< hpd.set_ptr_val(10); cout< deletehpa; deletehpb; deletehpc; cout< return0; } 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 HasPtr&operator=(constHasPtr&);//赋值操作符 此时,rhs就是p1,首先将p1指向的ptr的use加1, ++rhs.ptr->use;//增加右操作数中的使用计数 然后,做: if(--ptr->use==0) deleteptr; 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deleteip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: 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: 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,赋值操作符函数中一来就可以按常规那样: if(this==&rhs) return*this; 运行结果如下图:
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