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  • 「C++」理解智能指针

    维基百科上面对于「智能指针」是这样描述的:

    智能指针(英语:Smart pointer)是一种抽象的数据类型。在程序设计中,它通常是经由类型模板(class template)来实做,借由模板(template)来达成泛型,通常借由类型(class)的解构函数来达成自动释放指针所指向的存储器或对象。

    简单的来讲,智能指针是一种看上去类似指针的数据类型,只不过它更加智能,懂的完成内存泄露,垃圾回收等一系列看上去很智能的工作。如你所看到的那样,借助 C++ RAII(Resource acquisition is initialization) 特性,在类型(class)的析构函数时来完成自动释放指针所指向对象的目的。

    1、什么是智能指针?

    先看看一个最简单的例子 auto_ptr:

    template <class T> class auto_ptr
    {
        T* ptr;
    public:
        explicit auto_ptr(T* p = 0) : ptr(p) {}
        ~auto_ptr()                 {delete ptr;}
        T& operator*()              {return *ptr;}
        T* operator->()             {return ptr;}
        // ...
    };

    首先它拥有指针最基本的 2 个特性:deferencing(operator *) 和 indirection(operator ->). 于是下面的代码

    void foo()
    {
        MyClass* p(new MyClass);
        p->DoSomething();
        delete p;
    }

    可以写成:

    void foo()
    {
        auto_ptr<MyClass> p(new MyClass);
        p->DoSomething();
    }

    这样我们新申请的 MyClass 可以完全由智能指针 p 接管,p 知道何时去释放这块内存,而不需要程序员去操心。

    2、为什么要用智能指针?

    使用智能指针的好处是显而易见的,正如上面所举例,可以有效的防止因为程序员粗心而引发的内存泄露问题。当然,智能指针所能达到的效果还远不止于此,它可以使你的程序更加安全、高效。当上面的 void foo() 函数出现异常的时候,我们不得不修改程序成为下面的样子:

    void foo()
    {
        MyClass* p;
        try {
            p = new MyClass;
            p->DoSomething();
            delete p;
        }
        catch (...) {
            delete p;
            throw;
        }
    }

    可以想象,当程序逻辑越来越复杂的时候,传统的代码将会变得更加臃肿不堪。从美观的角度来说,这样的代码或许缺少点艺术性在里面,那么还是用智能指针吧,代码依然如此简洁、优雅。

    再看看下面这个场景:

      MyClass* p(new MyClass);
      MyClass* q = p;
      delete p;
      p->DoSomething();     // p is now dangling
      p = NULL;             // p is no longer dangling
      q->DoSomething();     // q is still dangling

     当出现访问异常的时候,可能要耗费程序员很多精力去排查这类问题,因为 delete p 之后 p 可能依然指向某块内存(悬挂的)但是却是无效的指针。下面看看 auto_ptr 处理 operator = 的做法:

    template <class T>
    auto_ptr<T>& auto_ptr<T>::operator=(auto_ptr<T>& rhs)
    {
        if (this != &rhs) {
            delete ptr;
            ptr = rhs.ptr;
            rhs.ptr = NULL;
        }
        return *this;
    }

    可以看出,auto_ptr 把 q 指向 p 指向的内存,并且 p 指针赋值为 null 了。不同类型的智能指针针对类似问题解决的方案是不同的:

    a. copied_ptr: q 指向的内存是 p 指向内存的一个拷贝。

    b. owned_ptr: 让 p 和 q 指向同一块内存,只不过把 clean up 的责任转交给了 q。

    c. counted_ptr: 维护一个所申请内存块的计数 count,当 q = p 时 count 加 1,当 count 为 0 时释放内存。

    d. linked_ptr: 所有的智能指针组成一个双向链表,但是所有的指针都是指向同一块内存,当出现 q = p 时把 q 加入到这个双向链表中。

    e. cow_ptr: Copy-On-Write 机制,本质上是 counted_ptr or linked_ptr,仅当有意图要写内存时才为 q 重新开辟新的内存。

        const X& operator*()    const throw()   {return *itsPtr;}
        const X* operator->()   const throw()   {return itsPtr.get();}
        const X* get()          const throw()   {return itsPtr.get();}
        
        X& operator*()                          {copy(); return *itsPtr;}
        X* operator->()                         {copy(); return itsPtr.get();}
        X* get()                                {copy(); return itsPtr.get();}
    private:
        counted_ptr<X> itsPtr;
        void copy()                            // create a new copy of itsPtr
        {
            if (!itsPtr.unique()) {
                X* old_p = itsPtr.get();
                itsPtr = counted_ptr<X>(new X(*old_p));
            }
        }

     上面的代码展示了 Copy-On-Write 机制产生的时机,这也解释了为什么智能指针会比普通指针更加高效的原因。同样的手法在 string 类中也出现过:

      string s("Hello");
      string t = s;   // t and s shared the same 'hello'
      t += " there!";  // now a new buffer allocated for t

    3、选择哪种智能指针?

     关于 counted_ptr 有 2 种不同的实现方法,intrusive(侵入式)和 non-intrusive(非侵入式):

          

    关于 linked_ptr,在多线程环境下容易引起死锁问题:

    下面给出了一个总结,什么时候应该应用什么样的智能指针:

      Local variables             auto_ptr
      Class members               Copied pointer
      STL Containers Garbage      collected pointer (e.g. reference counting/linking)
      Explicit ownership transfer Owned pointer
      Big objects                 Copy on write

     「参考资料」

    http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_pointer

    http://ootips.org/yonat/4dev/smart-pointers.html

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