[zz] C++深度探索系列：智能指针(Smart Pointer) [二]

深度探索智能指针(Smart Pointer)

主题索引：

一、剖析C++标准库智能指针(std::auto_ptr)

1.Do you Smart Pointer?
2.std::auto_ptr的设计原理
3.std::auto_ptr高级使用指南
4.你是否觉得std::auto_ptr还不够完美?

二、C++条件,寻找构造更强大的智能指针(Smart Pointer)的
策略

1.支持引用记数的多种设计策略
2.支持处理多种资源
3.支持Subclassing
4.支持多线程条件下,线程安全的多种设计策略
5.其它多种特殊要求下,再构造

三、Generic Programming基础技术和Smart Pointer
1.回首处理资源中的Traits技术
2.回首多线程支持的设计

四、COM实现中,Smart Pointer设计原理

五、著名C++库(标准和非标准)中的Smart Pointer现状

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二、C++条件,寻找构造更强大的智能指针(SmartPointer)的策略

1.支持引用记数的多种设计策略

你听说过COM和它著名的IUnknown接口吧?
IUnknown是干什么的?我要告诉你,IUnknown接口三个函数签名中,
两个是用来管理对象(CoClass Object,组件类对象)的记数来控制
它的生命周期的.

在实践中,我们的对象并不是只用一次,只允许一个引用的.

那么,谁来管理它的生命周期呢?

我们的策略是：引用记数. 当对象的引用记数为零时,就销毁对象.
在没有托管环境的情况下,事实上,销毁对象的往往还是auto_ptr.
而COM中,销毁对象的是对象自己.

事实上,它和我们的智能指针不是一个级别上的概念.
我们的智能指针负责的是对象级的引用.而COM是以接口引用为
核心的.保证接口操作时,接口引用记数的自动管理.

哦!是的!那么我们怎样给auto_ptr加上对象引用记数的功能?

策略1:

一个对象对应一个引用记数对象.
智能指针以记数对象为代理.
想象,这又归到经典的"添加中间层"解决方案上了.

# 核心一：

我们添加一个 "引用记数class".
它的职责有二：
a.维护对象的引用记数.
b.维护对象的指针.

结构示意如下：
template<class T>
class ObjRefCounted{
private:
T* m_OBJ_Delegate_Ptr;
unsigned int m_UIcounted;
public:
explicit ObjRefCounted(T* m_Paramin = 0):
m_UIcounted(1), m_OBJ_Delegate_Ptr(m_Paramin){};

template<class M> ObjRefCounted(ObjRefCounted<M>& x) {
m_OBJ_Delegate_Ptr = x.m_OBJ_Delegate_Ptr); };

ObjRefCounted(const ObjRefCounted& x):m_UIcounted
(x.m_UIcounted), m_OBJ_Delegate_Ptr(x.m_ObjDelegate_Ptr){};
~ObjRefCounted();

void ReleaseRef ();
void AddRef ();
T* GetRealPointer () const;
};

# 核心二
在智能指针中维护一个引用记数class的指针
template<class T>
class SmartPointer{
public:
ObjRefCounted* _m_ObjRefCounted;
.....
.....
};

通过上面的两个策略,我们就可以在智能指针构造时,为之付上一个
引用记数对象.这个对象负责托管Smart Pointer原本应该维护
的对象指针.并且负责最终消除对象.

在Smart Pointer中,我们将会涉及大量的_m_ObjRefCounted的操作.
下面简叙一过程,详细不诉,自己设计之.
譬如：当你将一个对象指针赋给Smart Pointer将构建一辅助的
引用记数托管对象,此时m_UIcounted为1,m_OBJ_Delegate_Ptr被赋
以对象指针,假如现在我又将Smart Pointer 赋给另一SmartPointer2
, 那么SmartPointer2调用_m_ObjRefCounted->ReleaseRef();
减少原来维护的对象的记数,将自己的_m_ObjRefCounted置为
SmartPointer2依附的记数对象,再调用_m_ObjRefCounted->AddRef();
OK!就是这样的.

策略2.
在每一个智能指针内部维护一个对象指针和一个引用记数值的
的指针.

这里的重点在于维护一个引用记数值的指针,
它使得Smart Pointer之间保持一致的记数值成为可能.

结构示意如下：
template<class T>
class SmartPointer{
private:
T* m_ObjPtr;
unsigned int* RefCounted;
public:
explicit SmartPoint(T* PARAMin = 0) : m_ObjPtr(PARAMin),
RefCounted(new int(1)) { }
SmartPoint(const SmartPoint<T>& PARAMin2):
m_ObjPtr(PARAMin2.m_ObjPtr),
RefCounted(PARAMin2.RefCounted) { ++*RefCounted; }
....
...
};

不过这个方法的扩展性很差.
因为引用记数功能结合到Smart Pointer中去了.
一般不会用这种方法.

以上面的两种策略为基础,根据实际情况,可设计出更多的记数方法.

2.利用Traits(Partial Specialization)技术,
支持处理多种资源

在no1中,我们提到不可让auto_ptr管理数组,那是因为
auto_ptr构析函数中调用的是delete的缘故.
数组不可,其它的如,文件句柄、线程句柄等当然更不可以了.

下面我们就这个问题来探讨：

策略1.
通过函数指针来支持多种资源的处理.
我们的智能指针将设计成具有两个参数的模板类.
第一个参数指示：资源的类型
第二个参数指示：处理资源的函数类型

结构示意如下：

typedef void FreeResourceFunction(void* p);
void DealSingleObject(void* p);
void DealArray(void* p);
void DealFile(void* p);
//
// 针对特殊的资源加入函数指针声明
//
template<class Type , class DealFunction = DealSingleObject>
class SmartPointer{
public:
~SmartPointer(){ DealFunction(); }
...
...
/* Other codes */
};

inline void DealSingle(void* p)
{
if(p) delete p;
}

inline void DealArray(void* p){
if(p) delete[] p;
}

inline void DealFile(void* p){
if(p) p->close();
}
//
//针对特殊资源加入处理函数
//

oK!但是我们在使用这个策略的时候,一定要注意,
传递进的指针不能是错误的,这个你必须保证.
当然对上面的结构示意再改造,使之具有更强的
辨错能力也是可取的.

3.支持Subclassing

关于智能指针中的Subclassing,是什么?
我们先来看一程式片段：

class BaseClass {};
class Derived : public BaseClass {};

auto_ptr<Derived> m_Derived;
auto_ptr<Base> m_Base;

auto_ptr<Derived> pDerived = new Derived;
m_Base = pDerived;
//
//m_Derived = (PDerived&)m_Base; //#1
//

看到上面的#1没有,你认为在auto_ptr中,
它或者同等语义的行为可以执行?
不可以.为什么?
它本质上,相当与这样的操作：
BaseClass* m_BaseClass;
m_BaseClass = new DerivedClass(inParam);
这显然是非法的.

在上面我们曾经,auto_ptr对具有虚拟特性的类,
也能体现出虚拟性.

然而那并不能访问继承的数据,实现的不是真正意义
上的SubClassing.

那么,我们这样来实现这样的功能.

策略1.
在上述引用记数部分叙述的SmartPoint中,我们作如下的操作：

template <class U> SmartPointer& operator = (const SmartPointer<U>& that)
{
if (m_pRep ! = reinterpret_cast<RefCountRep<T>* > (that.m_pRep))
{
ReleaseRef ();
m_pRep = reinterpret_cast<RefCountRep<T>* > (that.m_pRep);
AddRef ();
}
return *this;
}
};

不错,reinterpret_cast,就是它帮我们解决了问题.

策略2.
关于第二种方法,这里不再详细叙说.
它涉及太多的细节,峰回路转的很难说清.
大体上,它是利用引用记数对象中维护的对象指针为void*
而在具体的调用是通过static_cast或reinterpret_cast转化.
总之,所谓的SubClassing技术离不开转化.

4.支持多线程条件下,线程安全的多种设计策略

对于标准C++,多线程问题并不很受关注.
原因在于目前,标准库并不支持多线程.

策略1：
首先我们想到：对数据进行访问同步.
那么,我们有两种方案：
a. 建立一个临界区对象.将对象的执行传递给临界区对象.
以保证安全.
b.利用临时对象来完成任务,将临界的责任留给被作用对象.

下面分析第二种的做法：
programme1:
class Widget
{
...
void Lock(); //进入临界区
void Unlock(); //退出临界区
};

programme2:
template <class T>
class LockingProxy
{
public:
LockingProxy(T* pObj) : pointee_ (pObj)
{ pointee_->Lock(); }
// 在临时对象构造是就锁定
// weight对象(临界区).
~LockingProxy() { pointee_->Unlock(); }
//
// 在临时对象销毁时,退出临界区.
//
T* operator->() const
{ return pointee_; }
//
// 这里重载->运算符.将对临时对象的方法执行
// 请求转交给weight对象
//
private:
LockingProxy& operator=(const LockingProxy&);
T* pointee_;
};

programme3:
template <class T>
class SmartPtr
{
...
LockingProxy<T> operator->() const
{ return LockingProxy<T>(pointee_); }
//
// 核心就在这里：产生临时对象
// LockingProxy<T>(pointee_)
private: sT* pointee_;
};

Programme4.
SmartPtr<Widget> sp = ...;
sp->DoSomething(); //##1

下面,我们模拟一下,执行的过程.
##1执行时,构建了临时对象LockingProxy<T>(pointee_)
此对象在构造期间就锁定Weight对象,并将DoSomethin()
方法传递给weight对象执行,在方法执行完,临时对象消失,
构析函数退出临界区.

4.其它特殊要求下的再构造

a.回首当年,你是否觉的
auto_ptr<x> m_SMPTR = new x(100);
居然通不过.不爽!
No problem !
auto_ptr(T* m_PARAMin = 0) shrow() : m_Tp(m_PARAMin){}
解决问题.

b. Consider it:
void fook(x* m_PARAMin){};
可是我只有auto_ptr<x> m_SMPTR;
No problem !
T* operator T*(auto_ptr<T>& m_PARAMin) throw ()
{ return m_Tp; }

fook(m_SMPTR); // ok ! now
c.事实上,你可以根据自己的需要.
重载更多或加入功能成员函数.

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待续

三、Generic Programming基础技术和Smart Pointer
1.回首处理资源中的Traits技术
2.回首多线程支持的设计

四、COM实现中,Smart Pointer设计原理

五、著名C++库(标准和非标准)中的Smart Pointer现状

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写于 20/3/2003
最后修改： 20/3/2003
By RedStar81
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