C++中智能指針如何設(shè)計(jì)和使用
更新時(shí)間：2012年11月28日 11:49:50 作者：
智能指針(smart pointer)是存儲(chǔ)指向動(dòng)態(tài)分配（堆）對(duì)象指針的類，用于生存期控制，能夠確保自動(dòng)正確的銷毀動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象，防止內(nèi)存泄露,需要的朋友可以參考下
智能指針(smart pointer)是存儲(chǔ)指向動(dòng)態(tài)分配（堆）對(duì)象指針的類，用于生存期控制，能夠確保自動(dòng)正確的銷毀動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象，防止內(nèi)存泄露。它的一種通用實(shí)現(xiàn)技術(shù)是使用引用計(jì)數(shù)(reference count)。智能指針類將一個(gè)計(jì)數(shù)器與類指向的對(duì)象相關(guān)聯(lián)，引用計(jì)數(shù)跟蹤該類有多少個(gè)對(duì)象共享同一指針。每次創(chuàng)建類的新對(duì)象時(shí)，初始化指針并將引用計(jì)數(shù)置為1；當(dāng)對(duì)象作為另一對(duì)象的副本而創(chuàng)建時(shí)，拷貝構(gòu)造函數(shù)拷貝指針并增加與之相應(yīng)的引用計(jì)數(shù)；對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行賦值時(shí)，賦值操作符減少左操作數(shù)所指對(duì)象的引用計(jì)數(shù)（如果引用計(jì)數(shù)為減至0，則刪除對(duì)象），并增加右操作數(shù)所指對(duì)象的引用計(jì)數(shù)；調(diào)用析構(gòu)函數(shù)時(shí)，構(gòu)造函數(shù)減少引用計(jì)數(shù)（如果引用計(jì)數(shù)減至0，則刪除基礎(chǔ)對(duì)象）。
智能指針就是模擬指針動(dòng)作的類。所有的智能指針都會(huì)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(dòng)銷毀。這主要是利用棧對(duì)象的有限作用域以及臨時(shí)對(duì)象（有限作用域?qū)崿F(xiàn)）析構(gòu)函數(shù)釋放內(nèi)存。當(dāng)然，智能指針還不止這些，還包括復(fù)制時(shí)可以修改源對(duì)象等。智能指針根據(jù)需求不同，設(shè)計(jì)也不同（寫時(shí)復(fù)制，賦值即釋放對(duì)象擁有權(quán)限、引用計(jì)數(shù)等，控制權(quán)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)：
template <class T>
class smartpointer
{
private:
T *_ptr;
public:
smartpointer(T *p) : _ptr(p) //構(gòu)造函數(shù)
{
}
T& operator *() //重載*操作符
{
return *_ptr;
}
T* operator ->() //重載->操作符
{
return _ptr;
}
~smartpointer() //析構(gòu)函數(shù)
{
delete _ptr;
}
};
實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)有兩種經(jīng)典策略，在這里將使用其中一種，這里所用的方法中，需要定義一個(gè)單獨(dú)的具體類用以封裝引用計(jì)數(shù)和相關(guān)指針：
// 定義僅由HasPtr類使用的U_Ptr類，用于封裝使用計(jì)數(shù)和相關(guān)指針
// 這個(gè)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(shè)置為友元，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(gè)析構(gòu)函數(shù)來刪除指針。但是，析構(gòu)函數(shù)不能無條件的刪除指針?！?BR> 條件就是引用計(jì)數(shù)。如果該對(duì)象被兩個(gè)指針?biāo)福敲磩h除其中一個(gè)指針，并不會(huì)調(diào)用該指針的析構(gòu)函數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)還有另外一個(gè)指針指向該對(duì)象?？磥?，智能指針主要是預(yù)防不當(dāng)?shù)奈鰳?gòu)行為，防止出現(xiàn)懸垂指針。
如上圖所示，HasPtr就是智能指針，U_Ptr為計(jì)數(shù)器；里面有個(gè)變量use和指針ip，use記錄了*ip對(duì)象被多少個(gè)HasPtr對(duì)象所指。假設(shè)現(xiàn)在又兩個(gè)HasPtr對(duì)象p1、p2指向了U_Ptr，那么現(xiàn)在我delete p1，use變量將自減1， U_Ptr不會(huì)析構(gòu)，那么U_Ptr指向的對(duì)象也不會(huì)析構(gòu)，那么p2仍然指向了原來的對(duì)象，而不會(huì)變成一個(gè)懸空指針。當(dāng)delete p2的時(shí)候，use變量將自減1，為0。此時(shí)，U_Ptr對(duì)象進(jìn)行析構(gòu)，那么U_Ptr指向的對(duì)象也進(jìn)行析構(gòu)，保證不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露。
包含指針的類需要特別注意復(fù)制控制，原因是復(fù)制指針時(shí)只復(fù)制指針中的地址，而不會(huì)復(fù)制指針指向的對(duì)象。
大多數(shù)C++類用三種方法之一管理指針成員
（1）不管指針成員。復(fù)制時(shí)只復(fù)制指針，不復(fù)制指針指向的對(duì)象。當(dāng)其中一個(gè)指針把其指向的對(duì)象的空間釋放后，其它指針都成了懸浮指針。這是一種極端
（2）當(dāng)復(fù)制的時(shí)候，即復(fù)制指針，也復(fù)制指針指向的對(duì)象。這樣可能造成空間的浪費(fèi)。因?yàn)橹羔樦赶虻膶?duì)象的復(fù)制不一定是必要的。
（3） 第三種就是一種折中的方式。利用一個(gè)輔助類來管理指針的復(fù)制。原來的類中有一個(gè)指針指向輔助類，輔助類的數(shù)據(jù)成員是一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)指針（指向原來的）（此為本次智能指針實(shí)現(xiàn)方式）。
其實(shí)，智能指針的引用計(jì)數(shù)類似于java的垃圾回收機(jī)制：java的垃圾的判定很簡答，如果一個(gè)對(duì)象沒有引用所指，那么該對(duì)象為垃圾。系統(tǒng)就可以回收了。
HasPtr 智能指針的聲明如下，保存一個(gè)指向U_Ptr對(duì)象的指針，U_Ptr對(duì)象指向?qū)嶋H的int基礎(chǔ)對(duì)象，代碼如下：
#include<iostream>
using namespace std;
// 定義僅由HasPtr類使用的U_Ptr類，用于封裝使用計(jì)數(shù)和相關(guān)指針
// 這個(gè)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(shè)置為友元，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(gòu)造函數(shù)：p是指向已經(jīng)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的int對(duì)象指針
HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)
{
cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
}
// 復(fù)制構(gòu)造函數(shù)：復(fù)制成員并將使用計(jì)數(shù)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(gòu)函數(shù)：如果計(jì)數(shù)為0，則刪除U_Ptr對(duì)象
~HasPtr()
{
cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
if (--ptr->use == 0)
delete ptr;
}
// 獲取數(shù)據(jù)成員
int *get_ptr() const
{
return ptr->ip;
}
int get_int() const
{
return val;
}
// 修改數(shù)據(jù)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(chǔ)int對(duì)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(jì)數(shù)類U_Ptr
int val;
};
HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &rhs) //注意，這里賦值操作符在減少做操作數(shù)的使用計(jì)數(shù)之前使rhs的使用技術(shù)加1，從而防止自我賦值
{
// 增加右操作數(shù)中的使用計(jì)數(shù)
++rhs.ptr->use;
// 將左操作數(shù)對(duì)象的使用計(jì)數(shù)減1，若該對(duì)象的使用計(jì)數(shù)減至0，則刪除該對(duì)象
if (--ptr->use == 0)
delete ptr;
ptr = rhs.ptr; // 復(fù)制U_Ptr指針
val = rhs.val; // 復(fù)制int成員
return *this;
}
int main(void)
{
int *pi = new int(42);
HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100); // 構(gòu)造函數(shù)
HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa); // 拷貝構(gòu)造函數(shù)
HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb); // 拷貝構(gòu)造函數(shù)
HasPtr hpd = *hpa; // 拷貝構(gòu)造函數(shù)
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;
}
這里的賦值操作符比較麻煩，且讓我用圖表分析一番：
假設(shè)現(xiàn)在又兩個(gè)智能指針p1、 p2，一個(gè)指向內(nèi)容為42的內(nèi)存，一個(gè)指向內(nèi)容為100的內(nèi)存，如下圖：
現(xiàn)在，我要做賦值操作，p2 = p1。對(duì)比著上面的
此時(shí)，條件成立。因?yàn)閡2的use為1。那么，運(yùn)行U_Ptr的析構(gòu)函數(shù)，而在U_Ptr的析構(gòu)函數(shù)中，做了delete ip操作，所以釋放了內(nèi)存，不會(huì)有內(nèi)存泄露的問題。
接下來的操作很自然，無需多言：
而還要注意的是，重載賦值操作符的時(shí)候，一定要注意的是，檢查自我賦值的情況。
如圖所示：
此時(shí)，做p1 = p1的操作。那么，首先u1.use自增1，為2；然后，u1.use自減1，為1。那么就不會(huì)執(zhí)行delete操作，剩下的操作都可以順利進(jìn)行。按《C++ primer》說法，“這個(gè)賦值操作符在減少左操作數(shù)的使用計(jì)數(shù)之前使rhs的使用計(jì)數(shù)加1，從而防止自身賦值”。哎，反正我是那樣理解的。當(dāng)然，賦值操作符函數(shù)中一來就可以按常規(guī)那樣：
智能指針就是模擬指針動(dòng)作的類。所有的智能指針都會(huì)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(dòng)銷毀。這主要是利用棧對(duì)象的有限作用域以及臨時(shí)對(duì)象（有限作用域?qū)崿F(xiàn)）析構(gòu)函數(shù)釋放內(nèi)存。當(dāng)然，智能指針還不止這些，還包括復(fù)制時(shí)可以修改源對(duì)象等。智能指針根據(jù)需求不同，設(shè)計(jì)也不同（寫時(shí)復(fù)制，賦值即釋放對(duì)象擁有權(quán)限、引用計(jì)數(shù)等，控制權(quán)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)：
復(fù)制代碼 代碼如下:
template <class T>
class smartpointer
{
private:
T *_ptr;
public:
smartpointer(T *p) : _ptr(p) //構(gòu)造函數(shù)
{
}
T& operator *() //重載*操作符
{
return *_ptr;
}
T* operator ->() //重載->操作符
{
return _ptr;
}
~smartpointer() //析構(gòu)函數(shù)
{
delete _ptr;
}
};
實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)有兩種經(jīng)典策略，在這里將使用其中一種，這里所用的方法中，需要定義一個(gè)單獨(dú)的具體類用以封裝引用計(jì)數(shù)和相關(guān)指針：
復(fù)制代碼 代碼如下:
// 定義僅由HasPtr類使用的U_Ptr類，用于封裝使用計(jì)數(shù)和相關(guān)指針
// 這個(gè)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(shè)置為友元，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(gè)析構(gòu)函數(shù)來刪除指針。但是，析構(gòu)函數(shù)不能無條件的刪除指針?！?BR> 條件就是引用計(jì)數(shù)。如果該對(duì)象被兩個(gè)指針?biāo)福敲磩h除其中一個(gè)指針，并不會(huì)調(diào)用該指針的析構(gòu)函數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)還有另外一個(gè)指針指向該對(duì)象?？磥?，智能指針主要是預(yù)防不當(dāng)?shù)奈鰳?gòu)行為，防止出現(xiàn)懸垂指針。
如上圖所示，HasPtr就是智能指針，U_Ptr為計(jì)數(shù)器；里面有個(gè)變量use和指針ip，use記錄了*ip對(duì)象被多少個(gè)HasPtr對(duì)象所指。假設(shè)現(xiàn)在又兩個(gè)HasPtr對(duì)象p1、p2指向了U_Ptr，那么現(xiàn)在我delete p1，use變量將自減1， U_Ptr不會(huì)析構(gòu)，那么U_Ptr指向的對(duì)象也不會(huì)析構(gòu)，那么p2仍然指向了原來的對(duì)象，而不會(huì)變成一個(gè)懸空指針。當(dāng)delete p2的時(shí)候，use變量將自減1，為0。此時(shí)，U_Ptr對(duì)象進(jìn)行析構(gòu)，那么U_Ptr指向的對(duì)象也進(jìn)行析構(gòu)，保證不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露。
包含指針的類需要特別注意復(fù)制控制，原因是復(fù)制指針時(shí)只復(fù)制指針中的地址，而不會(huì)復(fù)制指針指向的對(duì)象。
大多數(shù)C++類用三種方法之一管理指針成員
（1）不管指針成員。復(fù)制時(shí)只復(fù)制指針，不復(fù)制指針指向的對(duì)象。當(dāng)其中一個(gè)指針把其指向的對(duì)象的空間釋放后，其它指針都成了懸浮指針。這是一種極端
（2）當(dāng)復(fù)制的時(shí)候，即復(fù)制指針，也復(fù)制指針指向的對(duì)象。這樣可能造成空間的浪費(fèi)。因?yàn)橹羔樦赶虻膶?duì)象的復(fù)制不一定是必要的。
（3） 第三種就是一種折中的方式。利用一個(gè)輔助類來管理指針的復(fù)制。原來的類中有一個(gè)指針指向輔助類，輔助類的數(shù)據(jù)成員是一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)指針（指向原來的）（此為本次智能指針實(shí)現(xiàn)方式）。
其實(shí)，智能指針的引用計(jì)數(shù)類似于java的垃圾回收機(jī)制：java的垃圾的判定很簡答，如果一個(gè)對(duì)象沒有引用所指，那么該對(duì)象為垃圾。系統(tǒng)就可以回收了。
HasPtr 智能指針的聲明如下，保存一個(gè)指向U_Ptr對(duì)象的指針，U_Ptr對(duì)象指向?qū)嶋H的int基礎(chǔ)對(duì)象，代碼如下：
復(fù)制代碼 代碼如下:
#include<iostream>
using namespace std;
// 定義僅由HasPtr類使用的U_Ptr類，用于封裝使用計(jì)數(shù)和相關(guān)指針
// 這個(gè)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(shè)置為友元，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(gòu)造函數(shù)：p是指向已經(jīng)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的int對(duì)象指針
HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)
{
cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
}
// 復(fù)制構(gòu)造函數(shù)：復(fù)制成員并將使用計(jì)數(shù)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(gòu)函數(shù)：如果計(jì)數(shù)為0，則刪除U_Ptr對(duì)象
~HasPtr()
{
cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
if (--ptr->use == 0)
delete ptr;
}
// 獲取數(shù)據(jù)成員
int *get_ptr() const
{
return ptr->ip;
}
int get_int() const
{
return val;
}
// 修改數(shù)據(jù)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(chǔ)int對(duì)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(jì)數(shù)類U_Ptr
int val;
};
HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &rhs) //注意，這里賦值操作符在減少做操作數(shù)的使用計(jì)數(shù)之前使rhs的使用技術(shù)加1，從而防止自我賦值
{
// 增加右操作數(shù)中的使用計(jì)數(shù)
++rhs.ptr->use;
// 將左操作數(shù)對(duì)象的使用計(jì)數(shù)減1，若該對(duì)象的使用計(jì)數(shù)減至0，則刪除該對(duì)象
if (--ptr->use == 0)
delete ptr;
ptr = rhs.ptr; // 復(fù)制U_Ptr指針
val = rhs.val; // 復(fù)制int成員
return *this;
}
int main(void)
{
int *pi = new int(42);
HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100); // 構(gòu)造函數(shù)
HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa); // 拷貝構(gòu)造函數(shù)
HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb); // 拷貝構(gòu)造函數(shù)
HasPtr hpd = *hpa; // 拷貝構(gòu)造函數(shù)
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;
}
這里的賦值操作符比較麻煩，且讓我用圖表分析一番：
假設(shè)現(xiàn)在又兩個(gè)智能指針p1、 p2，一個(gè)指向內(nèi)容為42的內(nèi)存，一個(gè)指向內(nèi)容為100的內(nèi)存，如下圖：
現(xiàn)在，我要做賦值操作，p2 = p1。對(duì)比著上面的
此時(shí)，rhs就是p1，首先將p1指向的ptr的use加1，復(fù)制代碼 代碼如下:
HasPtr& operator=(const HasPtr&); // 賦值操作符
然后，做：復(fù)制代碼 代碼如下:
++rhs.ptr->use; // 增加右操作數(shù)中的使用計(jì)數(shù)
因?yàn)?，原先p2指向的對(duì)象現(xiàn)在p2不在指向，那么該對(duì)象就少了一個(gè)指針去指，所以，use做自減1；復(fù)制代碼 代碼如下:
if (--ptr->use == 0)
delete ptr;
此時(shí)，條件成立。因?yàn)閡2的use為1。那么，運(yùn)行U_Ptr的析構(gòu)函數(shù)，而在U_Ptr的析構(gòu)函數(shù)中，做了delete ip操作，所以釋放了內(nèi)存，不會(huì)有內(nèi)存泄露的問題。
接下來的操作很自然，無需多言：
做完賦值操作后，那么就成為如下圖所示了。紅色標(biāo)注的就是變化的部分：復(fù)制代碼 代碼如下:
ptr = rhs.ptr; // 復(fù)制U_Ptr指針
val = rhs.val; // 復(fù)制int成員
return *this;
而還要注意的是，重載賦值操作符的時(shí)候，一定要注意的是，檢查自我賦值的情況。
如圖所示：
此時(shí)，做p1 = p1的操作。那么，首先u1.use自增1，為2；然后，u1.use自減1，為1。那么就不會(huì)執(zhí)行delete操作，剩下的操作都可以順利進(jìn)行。按《C++ primer》說法，“這個(gè)賦值操作符在減少左操作數(shù)的使用計(jì)數(shù)之前使rhs的使用計(jì)數(shù)加1，從而防止自身賦值”。哎，反正我是那樣理解的。當(dāng)然，賦值操作符函數(shù)中一來就可以按常規(guī)那樣：
運(yùn)行結(jié)果如下圖：復(fù)制代碼 代碼如下:
if(this == &rhs)
return *this;
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