C++智能指针的设计和实现

2022-04-21 03:55:06

一、智能指针

　　在C++语言编程时，当类中有指针成员时，一般有两种方式来管理指针成员：一是采用值型的方式管理，每个类对象都保留一份指针指向的对象的拷贝；另一种更优雅的方式是使用智能指针，从而实现指针指向的对象的共享。

智能指针(smart pointer)的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。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，析构函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。

二、智能指针的一般实现

　　智能指针通常使用类模板来实现。模拟类指针的各种行为。但是，其最重要的作用是对类指针成员的管理，防止悬垂指针的出现。

template<class T>  
class SmartPointer{  
    public:  
        SmartPointer(T *t):pt(t){}  
        T& operator *(){ return *pt; }  
        T* operator ->() { return pt; }  
    private:  
        T *pt;  
};

三、引用计数的实现

　　为了实现引用计数，我们定义一个_counter类来记录引用次数，把_counter类的所有成员设定为private，因为其他的类型并不需要访问_counter，只有SmartPointer对其进行操作就行了，SmartPointer将设为其友元类。

class _counter{  
    template<class T> friend class SmartPointer;  
    _counter(int u):use(u){}  
    ~_counter(){}  
    int use;  
};

在SmartPointer类中，保留_counter的指针。

template<class T>  
class SmartPointer{  
    public:  
        SmartPointer(T *t):pc(new _counter(1)){  
            cout<<"SmartPointer::SmartPointer() invoded use is: "<<pc->use<<endl;  
            this->pt = t;  
        }  
  
        SmartPointer(SmartPointer<T> &rhs){  
            this->pc = rhs.pc;  
            this->pt = rhs.pt;  
            this->pc->use++;  
            cout<<"SmartPointer copy invoked use is: "<<pc->use<<endl;  
        }  
  
        ~SmartPointer(){  
            pc->use--;  
            cout<<"SmartPointer::~SmartPointer() invoded use is: "<<pc->use<<endl;  
            if(pc->use == 0)  
            {  
                delete pt;  
                delete pc;  
            }  
        }  
  
        SmartPointer<T>& operator=(SmartPointer<T> rhs){  
            if(rhs == *this){  
                return *this;  
            }  
  
            this->pt = rhs.pt;  
            this->pc = rhs.pc;  
            this->pc->use++;  
            cout<<"SmartPointer::operator=() invoked  use is: "<<pc->use<<endl;  
            return *this;  
        }  
  
    private:  
        T *pt;  
        _counter* pc;  
};

例如：我们有一个HasPtr类，其类成员中有一个为指针*p。

class HasPtr{  
    public:  
        HasPtr(int val):value(val),p(new int(3)){  
            cout<<"HasPtr::HasPtr() invoked"<<endl;  
        }  
        ~HasPtr(){ delete p; cout<<"HasPtr::~HasPtr() invoded"<<endl;}  
  
    private:  
        int *p;  
        int value;  
};

如果如下调用：

HasPtr *php = new HasPtr(3);  
SmartPointer<HasPtr> psp(php);  
SmartPointer<HasPtr> npsp(psp);

我们现在有两个智能指针对象，指向同一个HasPtr对象，其模型如下：

C++智能指针的设计和实现

_counter的use成员（引用计数）为2.

四、测试

int main(void)  
{  
    HasPtr *php = new HasPtr(3);  
    SmartPointer<HasPtr> psp(php);  
    SmartPointer<HasPtr> npsp(psp);  
    SmartPointer<HasPtr> nnpsp = npsp;  
  
  
    return 0;  
}

使用gcc编译器，运行结果如下：

C++智能指针的设计和实现

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C++智能指针的设计和实现

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一、智能指针

二、智能指针的一般实现

三、引用计数的实现

四、测试

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