为什么需要auto_ptr_ref

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auto_ptr 智能指针

这几天开始拜读侯捷先生和孟岩先生的译作《C++标准程序库：自修教程与参考手册》。两位先生确实译功上乘，读得很顺。但是读到P55页关于auto_ptr_ref的讨论，却百思不得其解：为什么需要引入auto_ptr_ref这个辅助类呢？

从书中描述来看，仿佛与拷贝构造函数、右值、类型转换有关。于是，结合auto_ptr的源代码，google之、baidu之，找了一推资料，终于初步搞清该问题。

auto_ptr的拥有权

C++常见的智能指针有std::auto_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_array、boost::scoped_array等。auto_ptr只是其中一种而已。但是，为什么auto_ptr才有auto_ptr_ref ，而boost::shared_ptr却没有shared_ptr_ref呢？

答案与auto_ptr的特性有关。auto_ptr强调对资源的拥有权 （ownership）。也就是说，auto_ptr是"它所指对象"的拥有者。而一个对象只能属于一个拥有者，严禁一物二主，否则就是重婚罪，意料外的灾难将随之而来。

为了保证auto_ptr的拥有权唯一，auto_ptr的拷贝构造函数和赋值操作符做了这样一件事情：移除另一个auto_ptr的拥有权 。为了说明拥有权的转移，请看下面的代码示例：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main(int argc, char **argv){
	auto_ptr<int> ptr1(new int(1));
	auto_ptr<int> ptr2(ptr1);	//ptr1的拥有权被转移到ptr2

	auto_ptr<int> ptr3(NULL);
	ptr3 = ptr2; 				//ptr2的拥有权被转移到ptr3

	cout<<ptr1.get()<<endl; 	//结果为0
	cout<<ptr2.get()<<endl; 	//结果为0
	cout<<*ptr3<<endl;      	//结果为1

auto_ptr的拷贝构造函数与赋值操作符

由于需要实现拥有权的转移，auto_ptr的拷贝构造函数和赋值操作符，与一般类的做法不太相同。我们可以看看MinGW 5.1.6实现的auto_ptr源代码：

 /**
 *  @brief  An %auto_ptr can be constructed from another %auto_ptr.
 *  @param  a  Another %auto_ptr of the same type.
 *
 *  This object now @e owns the object previously owned by @a a,
 *  which has given up ownsership.
 */
auto_ptr(auto_ptr& __a) throw() : _M_ptr(__a.release()) {}

/**
 *  @brief  %auto_ptr assignment operator.
 *  @param  a  Another %auto_ptr of the same type.
 *
 *  This object now @e owns the object previously owned by @a a,
 *  which has given up ownsership.  The object that this one @e
 *  used to own and track has been deleted.
 */
auto_ptr&
operator=(auto_ptr& __a) throw () {
	reset(__a.release());
	return *this;
}

可以看到，auto_ptr的拷贝构造函数、赋值操作符，它们的参数都是auto_ptr& ，而不是auto_ptr const & 。

一般来说，类的拷贝构造函数和赋值操作符的参数都是const &。但是auto_ptr的做法也是合理的：确保拥有权能够转移 。

如果auto_ptr的拷贝构造函数和赋值操作符的参数是auto_ptr const & ，那么实参的拥有权将不能转移。因为转移拥有权需要修改auto_ptr的成员变量，而实参确是一个const对象，不允许修改。

右值与const &

假设我们想写出下面的代码：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main(int argc, char **argv) {
	auto_ptr<int> ptr1(auto_ptr<int>(new int(1)));  //使用临时对象进行拷贝构造
	auto_ptr<int> ptr2(NULL);
	ptr2 = (auto_ptr<int>(new int(2)));  			//使用临时对象进行赋值
}

假设没有定义auto_ptr_ref类及相关的函数，那么这段代码将不能通过编译。主要的原因是，拷贝构造函数及赋值操作符的参数：auto_ptr<int>(new int(1))和 auto_ptr<int>(new int(2)) 都是临时对象 。临时对象属于典型的右值，而非const &是不能指向右值的（参见More Effective C++ ，Item 19）。auto_ptr的拷贝构造函数及赋值操作符的参数类型恰恰是auto_ptr&，明显非const &。

同理，下面的两段代码，也不会通过编译：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
auto_ptr<int> f();
int main(int argc, char **argv) {
	auto_ptr<int> ptr3(f());  //使用临时对象进行拷贝构造
	auto_ptr<int> ptr4(NULL);
	ptr4 = f();  			  //使用临时对象进行赋值
}

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
auto_ptr<int> f(){
	return auto_ptr<int>(new int(3));  //这里其实也使用临时对象进行拷贝构造
}

普通类不会遇到这个问题，是因为他们的拷贝构造函数及赋值操作符（不管是用户定义还是编译器生成的版本），参数都是const &。

auto_ptr_ref之目的

传说当年C++标准委员会的好多国家，因为这个问题都想把auto_ptr从标准库中剔除。好在Bill Gibbons和Greg Colvin创造性地提出了auto_ptr_ref，解决了这一问题，世界清静了。

auto_ptr_ref之原理

很显然，下面的构造函数，是可以接收auto_ptr临时对象的。

auto_ptr(auto_ptr __a) throw() : _M_ptr(__a.release()) { }

但另一个问题也很显然：上述构造函数不能通过编译。如果能通过编译，就会陷入循环调用。我们稍作修改：

auto_ptr(auto_ptr_ref<element_type> __ref) throw()  //element_type就是auto_ptr的模板参数。
      : _M_ptr(__ref._M_ptr) { }

该版本的构造函数，可以接收auto_ptr_ref的临时对象。如果auto_ptr可以隐式转换到auto_ptr_ref，那么我们就能够用auto_ptr临时对象来调用该构造函数。这个隐式转换不难实现：

template<typename _Tp1>
operator auto_ptr_ref<_Tp1>() throw(){ 
    return auto_ptr_ref<_Tp1>(this->release()); 
}

至此，我们可以写出下面的代码，并可以通过编译：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main(int argc, char **argv) {
    auto_ptr<int> ptr1(auto_ptr<int>(new int(1)));  //调用auto_ptr_ref版本的构造函数
}

同理，如果我们再提供下面的函数：

auto_ptr& operator=(auto_ptr_ref<element_type> __ref) throw() {
    if (__ref._M_ptr != this->get()){
        delete _M_ptr;
	_M_ptr = __ref._M_ptr;
    }
    return *this;
}

那么，下面的代码也可以通过编译：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main(int argc, char **argv) {
    auto_ptr<int> ptr2(NULL);
    ptr2 = (auto_ptr<int>(new int(2)));  //调用auto_ptr_ref版本的赋值操作符
}

auto_ptr_ref之本质

本质上，auto_ptr_ref赋予了auto_ptr“引用”的语义，这一点可以从auto_ptr_ref的注释看出：

/**
  *  A wrapper class to provide auto_ptr with reference semantics.
  *  For example, an auto_ptr can be assigned (or constructed from)
  *  the result of a function which returns an auto_ptr by value.
  *
  *  All the auto_ptr_ref stuff should happen behind the scenes.
  */
template<typename _Tp1>
struct auto_ptr_ref
{
    _Tp1* _M_ptr;
      
    explicit auto_ptr_ref(_Tp1* __p): _M_ptr(__p) { }
};

auto_ptr_ref之代码

这里列出auto_ptr_ref相关的函数，供参考：

auto_ptr(auto_ptr_ref<element_type> __ref) throw()
: _M_ptr(__ref._M_ptr) {}

auto_ptr& operator=(auto_ptr_ref<element_type> __ref) throw () {
    if (__ref._M_ptr != this->get()) {
        delete _M_ptr;
	_M_ptr = __ref._M_ptr;
    }
    return *this;
}

template<typename _Tp1>
operator auto_ptr_ref<_Tp1>() throw () {
    return auto_ptr_ref<_Tp1> (this->release());
}

template<typename _Tp1>
operator auto_ptr<_Tp1>() throw () {
    return auto_ptr<_Tp1> (this->release());
}