拷貝控制和資源管理

通常，管理類外資源的類必須定義拷貝控制成員，這種類需要通過析構函數來釋放對象所分配的資源。一旦一個類需要析構函數，那么它兒乎肯定也需要一個拷貝構造函數和一個拷貝賦值運算符。

為了定義這些成員，我們首先必須確定此類型對象的拷貝語義。一般來說，有兩種選擇，可以定義拷貝操作，使類的行為看起來像一個值或者像一個指針。

類的行為像一個值，意味著它應該也有自己的狀態(tài)。當我們拷貝一個類值的對象時，副本和原對象是完全獨立的。改變副本不會對原對象有任何影響，反之亦然。

行為像指針的類則共享狀態(tài)。當我們拷貝一個這種類的對象時，副本和原對象使用相同的底層數據。改變副本也會改變原對象，反之亦然。

在我們使用過的標準庫類中，標準庫容器和string類的行為像一個值。而不出意外的，shared_ptr類提供類似指針的行為，就像我們的StrBlob類一樣，IO類型和unique_ptr不允許拷貝或賦值，因此它們的行為既不像值也不像指針。

為了說明這兩種方式，我們會為練習中的HasPtr類定義拷貝控制成員。首先，我們將令類的行為像一個值;然后重新實現類，使它的行為像一個指針。

我們的HasPtr類有兩個成員，一個int和一個string指針。通常，類直接拷貝內置類型(不包括指針)成員;這些成員本身就是值，因此通常應該讓它們的行為像值一樣。我們如何拷貝指針成員決定了像HasPtr這樣的類是具有類值行為還是類指針行為。

行為像值的類

為了提供類值的行為，對于類管理的資源，每個對象都應該擁有一份自己的拷貝。這意味著對于ps指向的string，每個HasPtr對象都必須有自己的拷貝。為了實現類值行為，HasPtr需要

• 定義一個拷貝構造函數，完成string的拷貝，而不是拷貝指針
• 定義一個析構函數來釋放string
• 定義一個拷貝賦值運算符來釋放對象當前的string，并從右側運算對象拷貝string

類值版本的HasPtr如下所示

class HasPtr{
public:

HasPtr(const std::string &s=std::string()):
    ps(new std::string(s)1),i(0){}
    //對ps指向的string,每個BasPtr對象都有自己的拷貝
    HasPt(const HasPtr&p):
    ps(new std::string(*p.ps)),i(p.i){}
    HasPtr & operator=(const HasPtr&);
    ~HasPtr(){delete ps;}
private:
    std::string*ps;
    int i;
}

我們的類足夠簡單，在類內就已定義了除賦值運算符之外的所有成員函數。第一個構造函數接受一個(可選的)string參數。這個構造函數動態(tài)分配它自己的string副本，并將指向string的指針保存在ps中?？截悩嬙旌瘮狄卜峙渌约旱膕tring副本。析構函數對指針成員ps執(zhí)行delete，釋放構造函數中分配的內存。

類值拷貝賦值運算符

賦值運算符通常組合了析構函數和構造函數的操作。類似析構函數，賦值操作會銷毀左側運算對象的資源。類似拷貝構造函數，賦值操作會從右側運算對象拷貝數據。但是，非常重要的一點是，這些操作是以正確的順序執(zhí)行的，即使將一個對象賦予它自身，也保證正確。而且，如果可能，我們編寫的賦值運算符還應該是異常安全的一一當異常發(fā)生時能將左側運算對象置于一個有意義的狀態(tài)。

在本例中，通過先拷貝右側運算對象，我們可以處理自賦值情況，并能保證在異常發(fā)生時代碼也是安全的。在完成拷貝后，我們釋放左側運算對象的資源，并更新指針指向新分配的string:

HasPtr&HasPtr::operator=(const HasPtr&rhs)
{
auto newp=new string(*rhs.ps);//指貝底層string
delete ps;//釋放舊內存
ps = newp;//從右側運算對象指貝數據到本對象
i = rhs;
return*this;//返回本對象
}

在這個賦值運算符中，非常清楚，我們首先進行了構造函數的工作:newp的初始化器等價于HasPtr的拷貝構造函數中ps的初始化器。接下來與析構函數一樣，我們delete當前ps指向的string。然后就只剩下拷貝指向新分配的string的指針，以及從rhs拷貝int值到本對象了。

關鍵概念:賦值運算征

當你編寫賦值運算符時:有兩點需要記住:

• 如果將一個對象賦予它自身，賊值運算待必須能正確工作。
• 天多數賦值運算符組各了析構函數和拷貝構造函數的工作。

當你編寫一個賦值運算符時，一個好的模式是先將右側運算對象賦值到一個局部臨時對象中。當拷貝完成后，銷毀左側運算對象的現有成員就是安全的了。一旦左側運算對象的資源被銷毀，就只剩下將數據從臨時對象拷貝到左側運算對象的成員中了。

為了說明防范自賦值操作的重要性，考慮如果賦值運算符如下編寫將會發(fā)生什么

//這樣編寫賦值運算符是錯誤的!
HasPtr&
HasPtr::operator=(const HasPtr&zhs)
{
    delete ps;//釋放對象指向的string
    //如果rhs和*this是同一個對象,我們就將從已釋放的內存中拷貝數據!
    ps=new string(*(rhs.ps));
    i=rhs.i;
    return*this;
}

如果zhs和本對象是同一個對象，delete ps會釋放this和rhs指向的string。接下來，當我們在new表達式中試圖拷貝(rhs.ps)時，就會訪問一個指向無效內存的指針，其行為和結果是未定義的。

這樣我們的StrBlobPtr類就仍能使用指向vector的weak_ptr了。你修改后的類將需要一個拷貝構造函數和一個拷貝賦值運算符，但不需要析構函數。解釋拷貝構造出數和拷貝賦值運算符必須要做什么。解釋為什么不需要析構函數。

定義行為像指針的類

對于行為類似指針的類，我們需要為其定義拷貝構造函數和拷貝賦值運算符，來拷貝指針成員本身而不是它指向的string。我們的類仍然需要自己的析構函數來釋放接受string參數的構造函數分配的內存。但是，在本例中，析構函數不能單方面地釋放關聯(lián)的string。只有當最后一個指向string的HasPtr銷毀時，它才可以釋放string。

令一個類展現類似指針的行為的最好方法是使用shared_ptr來管理類中的資源。拷貝(或賦值)一個shared_ptr會拷貝(賦值)shared_ptr所指向的指針。
shared_ptr類自己記錄有多少用戶共享它所指向的對象。當沒有用戶使用對象時，shared_ptr類負責釋放資源。

但是，有時我們希望直接管理資源。在這種情況下，使用引用計數(reference count)就很有用了。為了說明引用計數如何工作，我們將重新定義HasPtr，令其行為像指針一樣，但我們不使用shared_ptr，而是設計自己的引用計數。

引用計數

引用計數的工作方式如下：

• 除了初始化對象外，每個構造函數(拷貝構造函數除外)還要創(chuàng)建一個引用計數，用來記錄有多少對象與正在創(chuàng)建的對象共享狀態(tài)。當我們創(chuàng)建一個對象時，只有一個對象共享狀態(tài)，因此將計數器初始化為1。
• 拷貝構造函數不分配新的計數器，而是拷貝給定對象的數據成員，包括計數器。拷貝構造函數遞增共享的計數器，指出給定對象的狀態(tài)又被一個新用戶所共享。“析構函數遞減計數器，指出共享狀態(tài)的用戶少了一個。如果計數器變?yōu)?，則析構函數釋放狀態(tài)。
• 拷貝賦值運算符遞增右側運算對象的計數器，遞減左側運算對象的計數器。如果左側運算對象的計數器變?yōu)?，意味著它的共享狀態(tài)沒有用戶了，拷貝賦值運算符就必須銷毀狀態(tài)。

唯一的難題是確定在哪里存放引用計數。計數器不能直接作為HasPtr對象的成員。

下面的例子說明了原因：

HasPtr p1("HiYa!");

HasPtr p2(p1);//p1和p2指向相同的string
HasPtr p3(p1);//p1、p2和p3都指向相同的string

如果引用計數保存在每個對象中,當創(chuàng)建p3時我們應該如何正確更新它呢?可以遞增p1中的計數器并將其拷貝到p3中,但如何更新p2中的計數器呢?

解決此問題的一種方法是將計數器保存在動態(tài)內存中。當創(chuàng)建一個對象時,我們也分配一個新的計數器。當拷貝或賦值對象時,我們拷貝指向計數器的指針。使用這種方法,副本和原對象都會指向相同的計數器。

定義一個使用引用計數的類

通過使用引用計數,我們就可以編寫類指針的HasPtr版本了：

class HasPtr{
public:
//構造函數分配新的string和新的計數器,將計數器置為1
HasPtr(const std::string&s=std::string()):
ps(newstd::string(s)),i(0),use(new std::size_t(1)){}
//指貝構造函數拷貝所有三個數據成員,并遞增計數器
HasPtr(const HasPtr &p):
ps(p.ps),i(p.i),use(p.use){++*use;}
HasPtr &operator=(const HasPtr&);
~HasPtr();
private:
std::string* ps;
std::size_t* use;//用來記錄有多少個對象共享*ps的成員
};

在此,我們添加了一個名為use的數據成員,它記錄有多少對象共享相同的string。接受string參數的構造函數分配新的計數器,并將其初始化為1,指出當前有一個用戶使用本對象的string成員。

類指針的拷貝成員“篡改“引用計數

當拷貝或賦值一個HasPtr對象時,我們希望副本和原對象都指向相同的string。即,當拷貝一個HasPtr時,我們將拷貝ps本身,而不是ps指向的string。當我們進行拷貝時,會遞增該string關聯(lián)的計數器。

(我們在類內定義的)拷貝構造函數拷貝給定HasPtr的所有三個數據成員。這個構造函數還遞增use成員,指出ps和p.ps指向的string又有了一個新的用戶。

析構函數不能無條件地delete ps一一可能還有其他對象指向這塊內存。析構函數應該遞減引用計數,指出共享string的對象少了一個。如果計數器變?yōu)?,則析構函數釋放ps和use指向的內存:

HasPtr::~HasPtr()
{
if(--*use==0){//如果引用計數變?yōu)?
delete ps;//釋放string內存
delete use;//釋放計數器內存
}
}

拷貝賦值運算符與往常一樣執(zhí)行類似拷貝構造函數和析構函數的工作。即,它必須遞增右側運算對象的引用計數(即,拷貝構造函數的工作),并遞減左側運算對象的引用計數,在必要時釋放使用的內存(即,析構函數的工作)。

而且與往常一樣,賦值運算符必須處理自賦值。我們通過先遞增zhs中的計數然后再遞減左側運算對象中的計數來實現這一點。通過這種方法,當兩個對象相同時,在我們檢查ps(及use)是否應該釋放之前,計數器就已經被遞增過了：

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr&rhs)
{
    ++*rhs.use;//通增右側運算對象的引用計數
    if(--*use==0){//然后遞減本對象的引用計數
        delete ps;//如果沒有其他用戶
        delete use;//釋放本對象分配的成員
    }
    ps=rhs.ps;//將數據從rhs拷貝到本對象
    i = rhs.i;
    use=rhs.use;
    return*this;//返回本對象
}

總結

以上為個人經驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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