C++智能指针的设计和实现
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:
_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: