快捷導(dǎo)航

C++ 智能指針深入解析

更新時(shí)間：2013年07月16日 10:34:36 作者：

以下是對(duì)C++中智能指針的使用進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹，需要的朋友可以參考下

1. 為什么需要智能指針？
簡(jiǎn)單的說(shuō)，智能指針是為了實(shí)現(xiàn)類似于Java中的垃圾回收機(jī)制。Java的垃圾回收機(jī)制使程序員從繁雜的內(nèi)存管理任務(wù)中徹底的解脫出來(lái)，在申請(qǐng)使用一塊內(nèi)存區(qū)域之后，無(wú)需去關(guān)注應(yīng)該何時(shí)何地釋放內(nèi)存，Java將會(huì)自動(dòng)幫助回收。但是出于效率和其他原因（可能C++設(shè)計(jì)者不屑于這種傻瓜氏的編程方式），C++本身并沒(méi)有這樣的功能，其繁雜且易出錯(cuò)的內(nèi)存管理也一直為廣大程序員所詬病。

更進(jìn)一步地說(shuō)，智能指針的出現(xiàn)是為了滿足管理類中指針成員的需要。包含指針成員的類需要特別注意復(fù)制控制和賦值操作，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。當(dāng)類的實(shí)例在析構(gòu)的時(shí)候，可能會(huì)導(dǎo)致垂懸指針問(wèn)題。

管理類中指針成員的方法一般有兩種方式：一種是采用值型類，這種類是給指針成員提供值語(yǔ)義（value semantics），當(dāng)復(fù)制該值型對(duì)象時(shí)，會(huì)得到一個(gè)不同的新副本。這種方式典型的應(yīng)用是string類。另外一種方式就是智能指針，實(shí)現(xiàn)這種方式的指針?biāo)赶虻膶?duì)象是共享的。

2. 智能指針的實(shí)現(xiàn)概述
智能指針(smart pointer)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）。
實(shí)現(xiàn)智能指針有兩種經(jīng)典策略：一是引入輔助類，二是使用句柄類。

3. 實(shí)現(xiàn)方式1：引入輔助類
這種方式定義一個(gè)單獨(dú)的具體類（RefPtr）來(lái)封裝指針和相應(yīng)的引用計(jì)數(shù)。

復(fù)制代碼代碼如下:

class Point                                       //基礎(chǔ)對(duì)象類
{
public:
     Point(int xVal = 0, int yVal = 0):x(xVal),y(yVal) { }
     int getX() const { return x; }
     int getY() const { return y; }
     void setX(int xVal) { x = xVal; }
     void setY(int yVal) { y = yVal; }

private:
     int x,y;
};
class RefPtr                                  //輔助類
{    //該類成員訪問(wèn)權(quán)限全部為private，因?yàn)椴幌胱層脩糁苯邮褂迷擃?BR>     friend class SmartPtr;                                  //定義智能指針類為友元，因?yàn)橹悄苤羔橆愋枰苯硬倏v輔助類
     RefPtr(Point *ptr):p(ptr), count(1) { }
     ~RefPtr() { delete p; }
     int count;                                                     //引用計(jì)數(shù)
     Point *p;                                                      //基礎(chǔ)對(duì)象指針
};
class SmartPtr                                             //智能指針類
{
public:
     SmartPtr(Point *ptr):rp(new RefPtr(ptr)) { }                                 //構(gòu)造函數(shù)
     SmartPtr(const SmartPtr &sp):rp(sp.rp) { ++rp->count; }            //復(fù)制構(gòu)造函數(shù)
     SmartPtr& operator=(const SmartPtr& rhs) {                              //重載賦值操作符
     ++rhs.rp->count;                                                                        //首先將右操作數(shù)引用計(jì)數(shù)加1，
     if(--rp->count == 0)                                                                     //然后將引用計(jì)數(shù)減1，可以應(yīng)對(duì)自賦值
        delete rp;
     rp = rhs.rp;
     return *this;
     }
    ~SmartPtr() {                                            //析構(gòu)函數(shù)
    if(--rp->count == 0)                                  //當(dāng)引用計(jì)數(shù)減為0時(shí)，刪除輔助類對(duì)象指針，從而刪除基礎(chǔ)對(duì)象
         delete rp;
 }
private:
     RefPtr *rp;                                                //輔助類對(duì)象指針
};
int main()
{
     Point *p1 = new Point(10, 8);
     SmartPtr sp1(p1);
     SmartPtr sp2(sp1);
     Point *p2 = new Point(5, 5);
     SmartPtr sp3(p2);
     sp3 = sp1;
     return 0;
}

使用該方式的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖如下：

4. 實(shí)現(xiàn)方式2：使用句柄類
為了避免上面方案中每個(gè)使用指針的類自己去控制引用計(jì)數(shù)，可以用一個(gè)類把指針?lè)庋b起來(lái)。封裝好后，這個(gè)類對(duì)象可以出現(xiàn)在用戶類使用指針的任何地方，表現(xiàn)為一個(gè)指針的行為。我們可以像指針一樣使用它，而不用擔(dān)心普通成員指針?biāo)鶐?lái)的問(wèn)題，我們把這樣的類叫句柄類。在封裝句柄類時(shí)，需要申請(qǐng)一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的引用計(jì)數(shù)空間，指針與引用計(jì)數(shù)分開(kāi)存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)示例如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

class Point                                                  //基礎(chǔ)對(duì)象類
{
public:
     Point(int xVal = 0, int yVal = 0):x(xVal),y(yVal) { }
     int getX() const { return x; }
     int getY() const { return y; }
     void setX(int xVal) { x = xVal; }
     void setY(int yVal) { y = yVal; }
public:
     virtual Point* clone() const {               //虛函數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)讓句柄類在不知道對(duì)象的確切類型的情況下分配已知對(duì)象的新副本
     return new Point(*this);
 }

private:
     int x,y;
};
class D3Point : public Point                           //派生類
{
public:
     D3Point(int xVal, int yVal, int zVal):Point(xVal, yVal), z(zVal) { }
     int getZ() const { return z; }
     void setZ(int zVal) { z = zVal; }
public:
     D3Point* clone() const {                 //虛函數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)讓句柄類在不知道對(duì)象的確切類型的情況下分配已知對(duì)象的新副本
  return new D3Point(*this);
 }
private:
     int z;
};
class SmartPtr
{
public:
     SmartPtr(Point *ptr = 0):p(ptr), count(new int(1)) { }                                         //構(gòu)造函數(shù)
     SmartPtr(Point &point):p(point.clone()), count(new int(1)) { }                          //構(gòu)造函數(shù)
     SmartPtr(const SmartPtr &sp):p(sp.p), count(sp.count) { ++*count; }             //復(fù)制構(gòu)造函數(shù)
     SmartPtr& operator=(const SmartPtr &sp) {                                                   //重載賦值操作符
         ++*sp.count;                                           //首先將右操作數(shù)引用計(jì)數(shù)加1，
         decr_use();                                             //然后將引用計(jì)數(shù)減1，可以應(yīng)對(duì)自賦值
         p = sp.p;
         count = sp.count;
         return *this;
     }
    ~SmartPtr() {                                          //析構(gòu)函數(shù)
          decr_use();
     }
public:                                   //一般情況下不會(huì)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)操作符，因?yàn)槲覀儾幌Ｍ脩糁苯硬倏v基礎(chǔ)對(duì)象指針
     const Point* operator->() const {
          if(p) return p;
          else throw logic_error("Unbound Point");
     }
 const Point& operator*() const {
      if(p) return *p;
      else throw logic_error("Unbound Point");
     }
private:
    void decr_use() {
        if(--*count == 0)
        {
             delete p;
             delete count;
       }
    }
private:
     Point *p;                                      //基礎(chǔ)對(duì)象指針
     int *count;                                   //指向引用計(jì)數(shù)的指針
};
int main()
{
      Point *p1 = new Point(10, 8);
      SmartPtr sp1(p1);
      SmartPtr sp2(sp1);
      D3Point *p2 = new D3Point(5, 5, 0);
      SmartPtr sp3(p2);
      return 0;
}