剖析C++标准库智能指针(std::auto_ptr) 以及智能指针的原理

1.Do you Smart Pointer?

Smart Pointer,中文名：智能指针

不可否认,资源泄露(resource leak)曾经是C++程序的一大噩梦.垃圾回收

机制(Garbage Collection)一时颇受注目.然而垃圾自动回收机制并不能

满足内存管理的即时性和可视性,往往使高傲的程序设计者感到不自在.

况且,C++实现没有引入这种机制.在探索中,C++程序员创造了锋利的

"Smart Pointer".一定程度上,解决了资源泄露问题.

也许,经常的,你会写这样的代码：

//x拟为class:

class x

{

public:


int m_Idata;

public:


x(int m_PARAMin):m_Idata(m_PARAMin){}


void print(){ cout<<m_Idata<<endl; }

}

void fook()

{

x* m_PTRx = new (5);

m_PTRx->print(); //#2

delete m_PTRx;

}



是的,这里可能没什么问题.可在复杂、N行、m_PTR所指对象生命周

期要求较长的情况下,你能保证你不会忘记delete m_PTR吗?生活中,

我们往往不应该有太多的口头保证,我们需要做些真正有用的东西.还有一个

更敏感的问题：异常.假如在#2方法执行期异常发生,函数执行终止,那么new

出的对象就会泄露.于是,你可能会说：那么就捕获异常来保证安全性好了.

你写这样的程式：

void fook()

{

A* m_PTRx = new x(5);

try

{

m_PTRx->print();

}

catch(..)

{

delete m_PTRx;

throw;

}

delete m_PTRx;

}



哦!天哪!想象一下,你的系统,是否会象专为捕获异常而设计的.

一天,有人给你建议:"用Smart Pointer,那很安全.".你可以这样重写你的程序：

void fook()

{

auto_ptr<x> m_SMPTRx(new x(5));

m_SMPTRx->print();

}

OK!你不太相信.不用delete吗?

是的.不用整天提心吊胆的问自己:"我全部delete了吗?",而且比你的delete

策略更安全.

然后,还有人告诉你,可以这样用呢：


ok1.


auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin));


auto_ptr<x> m_SMPTR2(m_SMPTR1); //#2


May be you can code #2 like this :


auto_ptr<x> m_SMPTR2;


m_SMPTR2 = m_SMPTR1;


ok2.


auto_ptr<int> m_SMPTR1(new int(32));




ok3.


auto_ptr<int> m_SMPTR1;


m_SMPTR1 = auto_ptr<int>(new int(100));


也可以：


auto_ptr<int> m_SMPTR1(auto_ptr<int>(new int(100)));




ok4.


auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin));


m_SMPTR1.reset(new x(m_PARAMin1));




ok5.


auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin));


auto_ptr<x> m_SMPTR2(m_SMPTR.release());


cout<<(*m_SMPTR2).m_Idata<<endl;




ok6.


auto_ptr<int> fook(){


return auto<int>(new int(100));


}





ok7.............and so on

但不可这样用：


no1.


char* chrarray = new char[100];


strcpy(chrarray,"I am programming.");


auto_ptr<char*> m_SMPTRchrptr(chrarray);


//auto_ptr并不可帮你管理数组资源




no2.


vector<auto_ptr<x>> m_VECsmptr;


m_VECsmptr.push_back(auto_ptr<int>(new int(100)));


//auto_ptr并不适合STL内容.




no3.


const auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100));


auto_ptr<x> m_SMPTR(new x(200));




no4.


x m_OBJx(300);


auto_ptr<x> m_SMPTR(&m_OBJx);




no5


x* m_PTR = new x(100);


auto_ptr<x> m_SMPTR = m_pTR;



no6..........and so on

预先提及所有权的问题,以便下面带着疑问剖析代码?


power1.


auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100));


auto_ptr<x> m_SMPTR2 = m_SMPTR1;


m_SMPTR2->print();


//输出：100.


m_SMPTR1->print();


//!! 非法的.




power2.


auto_ptr<x> m_SMPTR(new x(100));




auto_ptr<x> returnfun(auto_ptr<x> m_SMPTRin){


return m_SMPTRin;


}




auto_ptr<x> = returnfun(m_SMPTR); //#5



//在上面的#5中,我要告诉你对象所有权转移了两次.

//什么叫对象所有权呢?

2. std::auto_ptr的设计原理

上面的一片正确用法,它们在干些什么?

一片非法,它们犯了什么罪?

一片什么所有权转移,它的内部机智是什么?

哦!一头雾水?下面我们就来剖析其实现机制.

基础知识：

a.智能指针的关键技术：在于构造栈上对象的生命期控制

堆上构造的对象的生命期.因为在智能指针的内部,存储

着堆对象的指针,而且在构析函数中调用delete行为.

大致机构如下：

x* m_PTRx = new x(100);//#1

template<typename T>

auto_ptr{

private:

T* m_PTR;//维护指向堆对象的指针,在auto_ptr定位后

.... //它应该指向#1构造的对象,即拥有所有权.

~auto(){ delete m_PTR; }

....

}

b.所有权转移之说

上面曾有一非法的程式片段如下：

auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100));

auto_ptr<x> m_SMPTR2 = m_SMPTR1;

m_SMPTR2->print();

//输出：100.

m_SMPTR1->print();

//!! 非法的.

按常理来说,m_SMPTR->print();怎么是非法的呢?

那是因为本来,m_SMPTR1维护指向new x(100)的指针,

可是m_SMPTR2 = m_SMPTR1;auto_ptr内部机制使得m_SMPTR1将对象的地址

传给m_SMPTR2,而将自己的对象指针置为0.

那么自然m_SMPTR->print();失败.

这里程序设计者要负明显的职责的.

那么auto_ptr为什么采取这样的策略：保证所有权的单一性.

亦保证了系统安全性.

如果多个有全权的auto_ptr维护一个对象,那么在你消除一个

auto_ptr时,将导致多个auto_ptr的潜在危险.

下面我们以SGI-STL的auto_ptr设计为样本(去掉了无关分析的宏),来剖析其原理.


#1 template <class _Tp> class auto_ptr {


#2 private:


#3 _Tp* _M_ptr; //定义将维护堆对象的指针




#4 public:


#5 typedef _Tp element_type; //相关类型定义


#6 explicit auto_ptr(_Tp* __p = 0) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__p) {}


#7 auto_ptr(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__a.release()) {}


#8 template <class _Tp1> auto_ptr(auto_ptr<_Tp1>& __a) __STL_NOTHROW


: _M_ptr(__a.release()) {}


//#6、#7、#8是auto_ptr构造函数的三个版本.


//#6注释：传入对象的指针,构造auto_ptr.explicit关键字:禁止隐式转换.


// 这就是ok2正确,而no5(隐式转换)错误的原因.


//#7注释：拷贝构造函数.


// 传入auto_ptr实例,构造auto_ptr. ok1、ok3使用了这个构造式.


// 它是一个很关键的构造函数,在具体情况下,我们再分析


//#8注释：auto_ptr的模板成员,可在继承对象重载的基础上,实现特殊功能.


//


// 举例：


// class A{ public:


// virtual void fook(){cout<<"I am programming"<<endl;


// /*..........*/ };


// class B : public A {


// virtual void fook(){ cout<<"I am working"<<endl;


// /*...........*/ };


// auto_ptr<A> m_SMPTRa(new A(33));//实质：


// auto_ptr<B> m_SMPTRb(m_SMPTRa); //基类的指针可以赋给派生类的指针


//


// auto_ptr<B> m_SMPTRb(new B(44));//实质：


// auto_ptr<A> m_SMPTRa(m_SMPTRb); //派生类的指针不可赋给基类的指针


//


// auto_ptr<A> m_SMPTRa(new B(33)); // ok!


// m_SMPTRa->fook()将调用派生类B的fook()


// m_SMPTRa->A::fook()将调用基类A的fook()


//


// auto_ptr<B> m_SMPTRb(new A(33)); // wrong!


//


//


#9 auto_ptr& operator=(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW {


#10 if (&__a != this) { delete _M_ptr; _M_ptr = __a.release(); }


#11 return *this;


#12 }




#13 template <class _Tp1>


#14 auto_ptr& operator=(auto_ptr<_Tp1>& __a) __STL_NOTHROW {


#15 if (__a.get() != this->get()) { delete _M_ptr; _M_ptr = __a.release(); }


#16 return *this;


#16 }


//


// #9~~#16 两个版本的指派函数.


// delete _M_ptr; 在指派前,销毁原维护的对象.


// _a.release() ; release操作,详细代码参见#20~~#23.


// 用于*this获得被指派对象,


// 且将原维护auto_ptr置空.


// no3使用了第一种指派.


// 而权限转移正是_a.release()的结果.




#17 ~auto_ptr() __STL_NOTHROW { delete _M_ptr; }


//构析函数.消除对象.注意这里对对象的要求!




#17 _Tp& operator*() const __STL_NOTHROW { return *_M_ptr; }


#18 _Tp* operator->() const __STL_NOTHROW { return _M_ptr; }


#19 _Tp* get() const __STL_NOTHROW { return _M_ptr; }


//


// 操作符重载.


// #17注释：提领操作(dereference),获得对象. 见ok5用法.


// #18注释：成员运算符重载,返回对象指针.


// #19注释：普通成员函数.作用同于重载->运算符


//


#20 _Tp* release() __STL_NOTHROW {


#21 _Tp* __tmp = _M_ptr;


#22 _M_ptr = 0;


#23 return __tmp; }


//上面已经详解




#24 void reset(_Tp* __p = 0) __STL_NOTHROW {


#25 delete _M_ptr;


#26 _M_ptr = __p; }


//


//传入对象指针,改变auto_ptr维护的对象


// 且迫使auto_ptr消除原来维护的对象


// 见ok3用法.




// According to the C++ standard, these conversions are required. Most


// present-day compilers, however, do not enforce that requirement---and,


// in fact, most present-day compilers do not support the language


// features that these conversions rely on.







//下面这片段用于类型转化,目前没有任何编译器支持

//具体技术细节不诉.


#ifdef __SGI_STL_USE_AUTO_PTR_CONVERSIONS




#27 private:


#28 template<class _Tp1>


#29 struct auto_ptr_ref { _Tp1* _M_ptr; auto_ptr_ref(_Tp1* __p) : _M_ptr(__p) {}


};




#30 public:


#31 auto_ptr(auto_ptr_ref<_Tp> __ref) __STL_NOTHROW


: _M_ptr(__ref._M_ptr) {}


#32 template <class _Tp1>


#33 operator auto_ptr_ref<_Tp1>() __STL_NOTHROW


#34 { return auto_ptr_ref<_Tp>(this->release()); }


#35 template <class _Tp1> operator auto_ptr<_Tp1>() __STL_NOTHROW


#36 { return auto_ptr<_Tp1>(this->release()); }


#37 #endif /* __SGI_STL_USE_AUTO_PTR_CONVERSIONS */


#38 };





OK!就是这样了.

正如上面原理介绍处叙说,

你需要正视两大特性：

1.构造栈对象的生命期控制堆上构造的对象的生命期

2.通过release来保证auto_ptr对对象的独权.

在我们对源码分析的基础上,重点看看：

no系列错误在何处?

no1.

我们看到构析函数template<class _Tp>

~auto_ptr() _STL_NOTHROW

{ delete _M_ptr; }

所以它不能维护数组,

维护数组需要操作：delete[] _M_ptr;

no2.

先提部分vector和auto_ptr代码：

a.提auto_ptr代码


auto_ptr(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__a.release()) {}



b.提vector代码




Part1:


void push_back(const _Tp& __x) {


if (_M_finish != _M_end_of_storage) {


construct(_M_finish, __x);


++_M_finish;


}


else


_M_insert_aux(end(), __x);


}




Part2:


template <class _T1, class _T2>


inline void construct(_T1* __p,




//++++++++++++++++++++++++++++++++


// const _T2& __value) { +


//++++++++++++++++++++++++++++++++


// new (__p) _T1(__value); +


//++++++++++++++++++++++++++++++++




}




Part3.


template <class _Tp, class _Alloc>


void


vector<_Tp, _Alloc>::_M_insert_aux


(iterator __position,




//++++++++++++++++++++++++++++++++


// const _Tp& __x) ++


//++++++++++++++++++++++++++++++++




{


if (_M_finish != _M_end_of_storage) {


construct(_M_finish, *(_M_finish - 1));


++_M_finish;




//++++++++++++++++++++++++++++++++


// _Tp __x_copy = __x; +


//++++++++++++++++++++++++++++++++




copy_backward(__position, _M_finish - 2, _M_finish - 1);


*__position = __x_copy;


}


else {


const size_type __old_size = size();


const size_type __len = __old_size != 0 ? 2 * __old_size : 1;


iterator __new_start = _M_allocate(__len);


iterator __new_finish = __new_start;


__STL_TRY {


__new_finish = uninitialized_copy


(_M_start, __position, __new_start);


construct(__new_finish, __x);


++__new_finish;


__new_finish = uninitialized_copy


(__position, _M_finish, __new_finish);


}


__STL_UNWIND((destroy(__new_start,__new_finish),


_M_deallocate(__new_start,__len)));


destroy(begin(), end());


_M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start);


_M_start = __new_start;


_M_finish = __new_finish;


_M_end_of_storage = __new_start + __len;


}


}



从提取的vector代码,Part1可看出,push_back的操作行为.

兵分两路,可是再向下看,你会发现,无一例外,都

通过const _Tp& 进行拷贝行为,那么从auto_ptr提出的片段就

派上用场了.

可你知道的,auto_ptr总是坚持对对象的独权.那必须修改

原来维护的对象,而vector行为要求const _Tp&,这样自然会产生

问题.一般编译器是可以发觉这种错误的.

其实,STL所有的容器类都采用const _Tp&策略.

//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

+ 看了sutter和Josuttis的两篇文章中,都提及： +

+ STL容器不支持auto_ptr原因在于copy的对象只是获得所有权的对象, +

+ 这种对象不符合STL的要求.可是本人总感觉即时不是真正的复制对象,+

+ 但我用vector<auto_ptr<x> >的目的就在于维护对象,并不在乎 +

+ 所谓的完全对象.而且我用自己写的Smart Pointer配合STL容器工作, +

+ 很正常.那需要注意的仅仅是const问题. +

+ +

//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

no3.

这个也是auto_ptr隐含的所有权问题引起的.

const auto_ptr不允许修改.

随便提及：const对象不代表对象一点不可以改变.

在两种const语义下,都有方法修改对象或对象内部指针维护的对象

或其它资源.

no4.

再看auto_ptr的构析函数.

delete不可以消除栈上资源.

no5.

依赖传入对象指针的构造函数被声明为explicit,禁止隐式转换.

3.auto_ptr高级使用指南

a.类成员auto_ptr,禁止构造函数以构建"完全对象"


Programme1:


struct Structx{


int m_Idata;


char m_CHRdata;


/* and so on */


};


出于对象编程的理念,


我们将Structx打造成包裹类：


class StructWrapper{


private:


Structx* m_STRTxptr;


public:


StructWrapper():m_STRTxptr(new Structx){}


~StructWrapper(){delete m_SMRTxptr; }


public:


void Soperator1(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */}


void Soperator2(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */}


/* and so on */


};




Programme2:


class StructWrapper{


private:


auto_ptr<Structx> m_SMPTRx;


public:


StructWrapper():m_SMPTRAx(new Structx){}


public:


void Soperator1(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */}


void Soperator2(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */}


/* and so on */


};




Programme3:


StructWrapper::StructWrapper(const StructWrapper& other)


: M_SMPTRx(new Struct(*other.m_SMPTRx)) { }


StructWrapper& StructWrapper::operator=(const StructWrapper &other){


*m_SMPTRx = *other.m_SMPTRx;


};



处于对构建于堆中的对象(new Structx)智能维护的需要.

我们将programme1改造为programme2：

不错,对象是可以智能维护了.

对于包裹类(StructWrapper)你是否会有这样的构造或指派操作：

StructWrapper m_SMPTRWrapper2(m_SMPTRWrapper1);

StructWrapper mSMPTRWrapper2 = m_SMPTRWrapper1;

那么请注意：

当你坦然的来一个：M_SMPTRWrapper1->Soperator1();的时候,

系统崩溃了.

不必惊讶,所有权还是所有权问题.

问一下自己：当programme2默认拷贝构造函数作用时,又调用了auto_ptr的

默认构造函数,那么auto_ptr所有的默认行为都遵循独权策略.对,就这样.

m_SMPTRWrapper1的对象所有权转移给了m_SMPTRWrapper2.

M_SMPTRWrapper1->Soperator1();那么操作变成了在NULL上的.

哦!系统不崩溃才怪.

那么你需要想,programme3那样利用auto_ptr的提领操作符自己的

构造"完全对象".

b.利用const关键字,防止不经意的权限转移

从上面的叙述,你可看出,所有权转移到处可以酿成大祸.

而对于一般应用来说,独权又是很好的安全性策略.

那么我们就用const来修饰auto_ptr,禁止不经意的错误.

当然上面提及：并不代表auto_ptr是不可修改的.

处于需要,从两种const语义,你都可实现修改.

然,你还希望在函数传入传出auto_ptr那么你可传递auto_ptr的引用,

那就万无一失了: void fook(const auto_ptr<x>& m_PARAMin);

在返回后赋予其它时,使用引用是不行的.你得用指针.

因为引用无论作为lvalue还是rvaluev,都会调用构造或指派函数.

4.你是否觉得std::auto_ptr还不够完美

在实践中,std::auto_ptr能满足你的需求吗?

Andrei Alexandrescu在一篇文章中,提及：有关Smart Pointer的技术就像

巫术.Smart Pointer作为C++垃圾回收机制的核心,它必须足够强大的、具有工业强度和安全性.

但为了可一劳永逸我们还需要披荆斩棘继续探索.

下面在需求层面上,我们思索一下我们的智能指针还需要些什么?

a. std::auto_ptr 能够处理数组吗?我们可以用智能指针来管理其它的资源吗?

譬如一个线程句柄、一个文件句柄 and so on !

b. 对于我们的对象真的永远实行独权政策吗?

c. Our 智能指针还需要在继承和虚拟层面上发挥威力 !

d. 往往,需要扩展Our 智能指针的功能成员函数来满足动态的需要 !

e. 也许,你需要的还很多.

代码实现：

// SmartPtr.cpp : Defines the entry point for the console application.

//

#include "stdafx.h"

#include <iostream>

#include <stdexcept>

using namespace std;

template<class T>

class Aoto_Ptr

{

public:

Aoto_Ptr(T * ptr = 0) : m_pData(ptr),m_pUser(new size_t(1)) {}

Aoto_Ptr(const Aoto_Ptr& ptr)

{

m_pData = ptr.m_pData;

m_pUser = ptr.m_pUser;

++*m_pUser;

}

Aoto_Ptr& operator=(const Aoto_Ptr& ptr)

{

++*ptr.m_pUser;

DeleteUser();

m_pData = ptr.m_pData;

m_pUser = ptr.m_pUser;

return *this;

}

T * operator->()

{

if(m_pData)

return m_pData;

}

const T * operator->() const

{

if(m_pData)

return m_pData;

}

T & operator*()

{

if(m_pData)

return *m_pData;

}

const T & operator*() const

{

}

~Aoto_Ptr()

{

DeleteUser();

}

private:

void DeleteUser()

{

if(--*m_pUser == 0)

{

if(m_pUser)

delete m_pUser;

if(m_pData)

delete m_pData;

}

}

private:

T * m_pData;

size_t * m_pUser;

};

struct PtrTest

{

public:

PtrTest()

{

cout << "create class" << endl;

}

~PtrTest()

{

cout << "delete class" << endl;

}

};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

Aoto_Ptr<PtrTest> t;

Aoto_Ptr<PtrTest> t1(new PtrTest);

Aoto_Ptr<PtrTest> t2(t1);

Aoto_Ptr<PtrTest> t3(new PtrTest);

t3 = t2;

t = t3;

getchar();

return 0;

}