C++中智能指針的設計和使用

轉載請標明出處，原文地址：http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7561235
智能指針(smart pointer)是存儲指向動態分配（堆）對象指針的類，用於生存期控制，能夠確保自動正確的銷燬動態分配的對象，防止內存泄露。它的一種通用實現技術是使用引用計數(reference count)。智能指針類將一個計數器與類指向的對象相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。每次創建類的新對象時，初始化指針並將引用計數置爲1；當對象作爲另一對象的副本而創建時，拷貝構造函數拷貝指針並增加與之相應的引用計數；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左操作數所指對象的引用計數（如果引用計數爲減至0，則刪除對象），並增加右操作數所指對象的引用計數；調用析構函數時，構造函數減少引用計數（如果引用計數減至0，則刪除基礎對象）。
智能指針就是模擬指針動作的類。所有的智能指針都會重載 -> 和 * 操作符。智能指針還有許多其他功能，比較有用的是自動銷燬。這主要是利用棧對象的有限作用域以及臨時對象（有限作用域實現）析構函數釋放內存。當然，智能指針還不止這些，還包括複製時可以修改源對象等。智能指針根據需求不同，設計也不同（寫時複製，賦值即釋放對象擁有權限、引用計數等，控制權轉移等）。auto_ptr 即是一種常見的智能指針。
智能指針通常用類模板實現：

template <class T>
class smartpointer
{
private:
	T *_ptr;
public:
	smartpointer(T *p) : _ptr(p)  //構造函數
	{
	}
	T& operator *()        //重載*操作符
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator ->()       //重載->操作符
	{
		return _ptr;
	}
	~smartpointer()        //析構函數
	{
		delete _ptr;
	}
};

實現引用計數有兩種經典策略，在這裏將使用其中一種，這裏所用的方法中，需要定義一個單獨的具體類用以封裝引用計數和相關指針：

// 定義僅由HasPtr類使用的U_Ptr類，用於封裝使用計數和相關指針
// 這個類的所有成員都是private，我們不希望普通用戶使用U_Ptr類，所以它沒有任何public成員
// 將HasPtr類設置爲友元，使其成員可以訪問U_Ptr的成員
class U_Ptr
{
	friend class HasPtr;
	int *ip;
	size_t use;
	U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
	{
		cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
	}
	~U_Ptr()
	{
		delete ip;
		cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
	}
};

HasPtr類需要一個析構函數來刪除指針。但是，析構函數不能無條件的刪除指針。”
      條件就是引用計數。如果該對象被兩個指針所指，那麼刪除其中一個指針，並不會調用該指針的析構函數，因爲此時還有另外一個指針指向該對象。看來，智能指針主要是預防不當的析構行爲，防止出現懸垂指針。

     如上圖所示，HasPtr就是智能指針，U_Ptr爲計數器；裏面有個變量use和指針ip，use記錄了*ip對象被多少個HasPtr對象所指。假設現在又兩個HasPtr對象p1、p2指向了U_Ptr，那麼現在我delete p1，use變量將自減1， U_Ptr不會析構，那麼U_Ptr指向的對象也不會析構，那麼p2仍然指向了原來的對象，而不會變成一個懸空指針。當delete p2的時候，use變量將自減1，爲0。此時，U_Ptr對象進行析構，那麼U_Ptr指向的對象也進行析構，保證不會出現內存泄露。
    包含指針的類需要特別注意複製控制，原因是複製指針時只複製指針中的地址，而不會複製指針指向的對象。
    大多數C++類用三種方法之一管理指針成員
    （1）不管指針成員。複製時只複製指針，不復制指針指向的對象。當其中一個指針把其指向的對象的空間釋放後，其它指針都成了懸浮指針。這是一種極端
    （2）當複製的時候，即複製指針，也複製指針指向的對象。這樣可能造成空間的浪費。因爲指針指向的對象的複製不一定是必要的。
   （3）第三種就是一種折中的方式。利用一個輔助類來管理指針的複製。原來的類中有一個指針指向輔助類，輔助類的數據成員是一個計數器和一個指針（指向原來的）（此爲本次智能指針實現方式）。
     其實，智能指針的引用計數類似於java的垃圾回收機制：java的垃圾的判定很簡答，如果一個對象沒有引用所指，那麼該對象爲垃圾。系統就可以回收了。
     HasPtr 智能指針的聲明如下，保存一個指向U_Ptr對象的指針，U_Ptr對象指向實際的int基礎對象，代碼如下：

#include<iostream>
using namespace std;

// 定義僅由HasPtr類使用的U_Ptr類，用於封裝使用計數和相關指針
// 這個類的所有成員都是private，我們不希望普通用戶使用U_Ptr類，所以它沒有任何public成員
// 將HasPtr類設置爲友元，使其成員可以訪問U_Ptr的成員
class U_Ptr
{
    friend class HasPtr;
    int *ip;
    size_t use;
    U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
    {
        cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
    }
    ~U_Ptr()
    {
        delete ip;
        cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
    }
};

class HasPtr
{
public:
    // 構造函數：p是指向已經動態創建的int對象指針
    HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)
    {
        cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
    }

    // 複製構造函數：複製成員並將使用計數加1
    HasPtr(const HasPtr& orig) : ptr(orig.ptr) , val(orig.val)
    {
        ++ptr->use;
        cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
    }

    // 賦值操作符
    HasPtr& operator=(const HasPtr&);

    // 析構函數：如果計數爲0，則刪除U_Ptr對象
    ~HasPtr()
    {
        cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
        if (--ptr->use == 0)
            delete ptr;
    }

    // 獲取數據成員
    int *get_ptr() const
    {
        return ptr->ip;
    }
    int get_int() const
    {
        return val;
    }

    // 修改數據成員
    void set_ptr(int *p) const
    {
        ptr->ip = p;
    }
    void set_int(int i)
    {
        val = i;
    }

    // 返回或修改基礎int對象
    int get_ptr_val() const
    {
        return *ptr->ip;
    }
    void set_ptr_val(int i)
    {
        *ptr->ip = i;
    }
private:
    U_Ptr *ptr;   //指向使用計數類U_Ptr
    int val;
};
HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &rhs)  //注意，這裏賦值操作符在減少做操作數的使用計數之前使rhs的使用技術加1，從而防止自我賦值
{
    // 增加右操作數中的使用計數
    ++rhs.ptr->use;
    // 將左操作數對象的使用計數減1，若該對象的使用計數減至0，則刪除該對象
    if (--ptr->use == 0)
        delete ptr;
    ptr = rhs.ptr;   // 複製U_Ptr指針
    val = rhs.val;   // 複製int成員
    return *this;
}

int main(void)
{
    int *pi = new int(42);
    HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100);    // 構造函數
    HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa);     // 拷貝構造函數
    HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb);     // 拷貝構造函數
    HasPtr hpd = *hpa;     // 拷貝構造函數

    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    hpc->set_ptr_val(10000);
    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    hpd.set_ptr_val(10);
    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    delete hpa;
    delete hpb;
    delete hpc;
    cout << hpd.get_ptr_val() << endl;
    return 0;
}

這裏的賦值操作符比較麻煩，且讓我用圖表分析一番：
假設現在又兩個智能指針p1、 p2，一個指向內容爲42的內存，一個指向內容爲100的內存，如下圖：

現在，我要做賦值操作，p2 = p1。對比着上面的

HasPtr& operator=(const HasPtr&);   // 賦值操作符

此時，rhs就是p1，首先將p1指向的ptr的use加1，

++rhs.ptr->use;     // 增加右操作數中的使用計數

然後，做：

if (--ptr->use == 0)  
        delete ptr;

因爲，原先p2指向的對象現在p2不在指向，那麼該對象就少了一個指針去指，所以，use做自減1；
此時，條件成立。因爲u2的use爲1。那麼，運行U_Ptr的析構函數，而在U_Ptr的析構函數中，做了delete ip操作，所以釋放了內存，不會有內存泄露的問題。
接下來的操作很自然，無需多言：

ptr = rhs.ptr;   // 複製U_Ptr指針  
    val = rhs.val;   // 複製int成員  
    return *this;

做完賦值操作後，那麼就成爲如下圖所示了。紅色標註的就是變化的部分：

而還要注意的是，重載賦值操作符的時候，一定要注意的是，檢查自我賦值的情況。
如圖所示：

此時，做p1 = p1的操作。那麼，首先u1.use自增1，爲2；然後，u1.use自減1，爲1。那麼就不會執行delete操作，剩下的操作都可以順利進行。按《C++ primer》說法，“這個賦值操作符在減少左操作數的使用計數之前使rhs的使用計數加1，從而防止自身賦值”。哎，反正我是那樣理解的。當然，賦值操作符函數中一來就可以按常規那樣：

if(this == &rhs)  
        return *this;

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