浅谈C++的智能指针

原文出处：http://www.cppblog.com/yearner/archive/2008/11/09/66447.html

浅谈C++的智能指针

内存泄露是C++程序员都头疼的大问题。C++缺乏像JAVA、C#一样，拥有GC这么一项有利的武器，它将内存管理的部分权限交给了程序员。虽然GC的存在节约了开发、排错的时间与成本，但是C++为了追求运行速度而20年来坚决不予补充进其标准。（题外话：C++通过加大开发难度去换取执行速度的做法，在现在看来不知是否能给与正面的评价，还是留给将来再说吧。）

  从此，在堆上申请了内存忘了释放、所造成的内存泄露的问题就一直困扰着C++程序员。也许为了稍许弥补没有垃圾回收器所造成的开发门槛高，各大厂商开发的C++库中都像COM学习引入智能指针试图解决部分目前存在的问题。

  智能指针是存储指向动态分配（堆）对象指针的类, 用于生存期控制, 能够确保自动正确的销毁动态分配的对象，防止内存泄露。它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，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。

  说到智能指针，我们一定要看看标准C++库提供的“搞笑的”智能指针:auto_ptr。

  标准库中提供了C++程序的基本设施。虽然C++标准库随着C++标准折腾了许多年，直到标准的出台才正式定型，网上评论C++标准库时都说：“在标准库的实现上却很令人欣慰得看到多种实现，并且已被实践证明为有工业级别强度的佳作。”但目前的标准C++中，只有一种独苗智能指针：std::auto_ptr。

  auto_ptr指针是一个RAII对象,它初始化时获得资源,析构时自动释放资源(生命期结束).它的缺点数不胜数：
1、auto_ptr要求一个对象只能有一个拥有者，严禁一物二主
2、缺少对引用数和数组的支持。
3、不可将auto_ptr对象作为STL容器的元素。C++标准明确禁止这样做，否则可能会碰到不可预见的结果。（这一条晕死一大片）。
4、auto_ptr在被复制的时候会传输所有权

反正由此可见：标准库的智能指针就是无甚大用。

    在这样的情况下，C++标准委员会自然需要考虑引入新的智能指针。目前由C++标准委员会库工作组发起的Boost 组织开发了Boost系列智能指针。

  在Boost中的智能指针有五种： scoped_ptr，scoped_array，shared_ptr，shared_array，weak_ptr.

前4种完全是针对标准库中的auto_ptr提出解决方案，如：scope_ptr是针对“auto_ptr在被复制的时候会传输所有权”这一弱点提出的。最后一种没见过，看名字像是弱引用智能指针，我怀疑是不是类似于JAVA中弱引用一样,有待进一步学习。

 

 

Smart Pointer是C++中的一个大题目，要说清楚他的所有好处很需要费点力气。我就一个功能一个功能的说。有我理解不透的地方希望大家指点。

1.copy-to-write
当生成一个C++ object的时候如果这个class很大，这个object会占用很多空间。那么每生成一个就占用一片空间，这样会占用很多系统资源。同时降低效率。一个解决方法就是对用拷贝构造函数生成的object，让他不存储数据，而只存储一个指向原来object数据的指针。 这样空间就节省了很多。但问题在于这样两个object完全联结在了一起。如果修改了其中一个，另一个也跟着变了。所以这种方法不可取。这里讲的 copy-to-write技术就是解决这类问题的方法。当通过引用一个已有object去拷贝构造新object时，新object只有一个指向已有 object的指针。这两个object共享数据。直到其中一个需要修改数据的时候，再把这两块数据分离。这里举一个最简化的例子。假设一个class叫 CLargeObject，里面存有很多数据。我们用一个inner class来把所有数据放在一起，叫CData。CData里面存有大量数据，例如一个数据库。这里用最简单的模型来表示，假设只有一个整数int m_nVal; CData里面需要包含另一个变量。叫作索引数目(reference count)。它记录了指向这个CData object的来自CLargetObject类的指针各数。也就是说，总共有多少CLargeObject的object正在引用着当前的CData object。

class CLargeObject
{
private:
    struct CData
    {
    private:
        int m_nVal;
        int m_nReferenceCount;
    }
};

对于每个CLargeObject的object，我们用一个CData类的指针来指向其数据。
CData *m_pData;

CLargeObject至少有两个构造函数。第一个是标准的构造函数，初始化其数据。这时数据是唯一的，所以必须新生成一个CData的object来存储数据。
CLargeObject::CLargeObject(int nVal)
{
    m_pData = new Data(nVal);
}
而对于CData类的构造函数而言，初始化他的CLargeObject是第一个指向他的，这一时刻索引数目m_nReferenceCount是1。
CLargeObject::Data::Data(int nVal) : m_nVal(nVal), m_nReferenceCount(1) {}

CLargeObject的第二个构造函数是拷贝构造(copy constructor)。这样生成的object不需要有新的数据，和已有的object共享数据就可以了。这是索引数目需要加1。表示又有一个object指向当前的CData了。
CLargeObject::CLargeObject(const CLargeObject &ob) // copy constructor
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    m_pData = ob.m_pData;
}


这样CLargeObject就构造好了，使用了可能的最少的内存。下面看看他的析够函数(destructor)。当一个object被delete的时候，它的数据不一定无效，如果别的object还在引用着这个数据，数据需要留下来。当然，数据的索引数目无论如何都要减1。
CLargeObject::~CLargeObject()
{
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
}

下面看一看赋值操作。先说用已有的CLargeObject赋值给这个CLargeObject。这时当前CLargeObject里面的数据要指向已有的这个object，就搞定了。
CLargeObject& CLargeObject::operator = (const CLargeObject& ob)    // copy assignment
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
    m_pData = ob.m_pData;

    return *this;
}

再来看看如何对CLargeObject里面的数据进行真正的修改。这样就一定需要对当前的object独立操作了，否则就影响到了其它指向同一块数据的CLargeObject。这样CData类需要一个新的函数，生成只用于当前CLargetObject的数据。如果当前的引用数目是1，那么当然这个CData就是只用于这个CLargeObject的了。否则就重新new一个CData返回。
        Data* CLargeObject::CData::get_own_copy()    // clone if necessary
        {
            if (m_nReferenceCount==1)
                return this;
            m_nReferenceCount--;
            return new Data(m_nVal);
        }
CLargeObject修改前用这个函数得到唯一的object，然后对它赋值。
void CLargeObject::SetVal(int nNewVal)
{
    m_pData = m_pData->get_own_copy();
    m_pData->m_nVal = nNewVal;
}
对于所有可能改变CData值的操作，都需要用这种方法。

下面是只读函数，简单。直接返回值，什么特殊的都不用作。
int CLargeObject::GetVal() const
{
    return m_pData->m_nVal;
}


这样copy-to-write技术就实现了。下面把完整的程序写一下：
class CLargeObject
{
public:
    CLargeObject(int nVal);
    CLargeObject(const CLargeObject &ob);
    ~CLargeObject();

    CLargeObject& operator = (const CLargeObject& ob);
    void SetVal(int nNewVal);
    int GetVal() const;
private:
    struct Data
    {
    public:
        Data(int nVal) : m_nVal(nVal), m_nReferenceCount(1) {}
    private:
        friend class CLargeObject;
        Data* get_own_copy()    // clone if necessary
        {
            if (m_nReferenceCount==1)
                return this;
            m_nReferenceCount--;
            return new Data(m_nVal);
        }

        // control variables.
        int m_nReferenceCount;
    
        // actual data portion
        int m_nVal;
    };

    Data *m_pData;
};

CLargeObject::CLargeObject(int nVal)
{
    m_pData = new Data(nVal);
}

CLargeObject::CLargeObject(const CLargeObject &ob) // copy constructor
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    m_pData = ob.m_pData;
}

CLargeObject::~CLargeObject()
{
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
}

CLargeObject& CLargeObject::operator = (const CLargeObject& ob)    // copy assignment
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
    m_pData = ob.m_pData;

    return *this;
}

void CLargeObject::SetVal(int nNewVal)
{
    m_pData = m_pData->get_own_copy();
    m_pData->m_nVal = nNewVal;
}

int CLargeObject::GetVal() const
{
    return m_pData->m_nVal;
}


很多存储数据的系统class，如string，CString等都有这种设计。所以记住这个应用是很有必要的。