【自己动手】实现简单的C++ smart pointer

转自 http://blog.csdn.net/ruizeng88/article/details/6691191
Why Smart Pointer?

为什么需要智能指针？因为c++的内存管理一直是个令人头疼的问题。

假如我们有如下person对象：每个person有自己的名字，并且可以告诉大家他叫什么名字：

[cpp] view
plaincopy

//

//a person who can tell us his/her name.

//

#include<iostream>

#include<string>

using namespace std;

class person{

public:

person(string);

void tell();

~person();

private:

string name;

};



person::person(string name):name(name){



}



void person::tell(){

cout << "Hi! I am " << name << endl;

}



person::~person(){

cout << "Bye!" << endl;

}

很多时候，我们并不知道自己要创建多少个对象，因此需要在程序运行中动态地创建和销毁对象- -这时我们会使用new操作符在堆（heap）中为创建的对象分配内存，使用delete释放分配的内存。一个简单的示例：

[cpp] view
plaincopy

#include "person.h"

int main(){

person *p = new person("Cici");

p -> tell();

delete p;

}

程序的执行结果：



简单的程序我们当然不会忘记释放堆中分配的对象。但是当程序复杂时，成千上万对象被动态的创建，而在不使用这些对象时，都需要及时的释放，否则就会造成内存泄露（memory leak）。内存泄露是c++程序中最常见的问题之一，因为c++本身并没有提供自动堆内存管理的功能，所以，所有这些任务都交给了程序员自己--程序员必须对自己动态创建的堆对象负责：在对象不需要被使用时及时地销毁对象。然而，程序员不是万能的，所以内存泄露，总是成为c++程序的常见bug。

这里不得不提到的是java，java增加了垃圾回收机制（garbage collection），jvm会自己管理那些不被使用到的对象并及时销毁他们，这大大减轻了程序员的负担，程序员只需要new自己需要的对象而不必去释放他们，因为，在对象不被使用（被引用）时，垃圾回收器会替我们清理残骸。java也因为这一特性而广受关注。

STL auto_ptr

c++程序员们当然也不甘寂寞，stl中有了“智能指针”：stl::auto_ptr。使用智能指针，我们就可以不必关心对象的释放，因为智能指针会帮助我们完成对象内存空间的释放。有了auto_ptr，我们的程序可以这样写了：

[cpp] view
plaincopy

#include "person.h"

#include<memory>

using namespace std;

int main(){

auto_ptr<person> p(new person("Cici"));

p -> tell();

//we don't have to delete p because smart pointer will handle this

//delete p;

}

执行程序，输出如下：



可以看到输出和我们的第一个版本一模一样。虽然我们并没有delete我们创建的对象，但是可以看到，它已经在程序退出之前被正确的析构了。

简单的smart_ptr
通过上面的示例，看到stl的auto_ptr的用法，于是我们可以先总结下一个应该具备的基本功能：
1，对所指向的对象，能够自动释放
2，重载了“->”操作符，我们在使用smart_ptr时，能够像普通指针一样使用“->”访问其所指向的对象的成员
3，重载了“*”解引用操作符，同上
那么，如何实现对象的自动释放呢？
我们知道，对于局部对象，其生存周期是对象所在的局部作用域（一般是程序中的“{ }”之间），而在程序跑出局部对象的作用域之后，这些局部对象就会被自动销毁（这时对象的析构函数也会被调用）。所以我们的smart_ptr可以在其析构函数中显式delete所指向的对象，这样我们指向的对象也会在smart_ptr作用域之外被释放。所以我们可以这样实现我们自己的smart_ptr:

[cpp] view
plaincopy

//

//our simple smart pointer

//

#include "person.h"

class smart_ptr{

public:

smart_ptr(person* p);

~smart_ptr();

person& operator*();

person* operator->();

private:

person *ptr;

};



smart_ptr::smart_ptr(person* p):ptr(p){



}



smart_ptr::~smart_ptr(){

delete ptr;

}



person& smart_ptr::operator*(){

return *ptr;

}



person* smart_ptr::operator->(){

return ptr;

}

来测试一下这个简单的smart_ptr:

[cpp] view
plaincopy

#include "smart_ptr.h"

using namespace std;

int main(){

smart_ptr p(new person("Cici"));

p -> tell();

//we don't have to delete p because smart pointer will handle this

//delete p;

}

运行结果：



哈哈，我们的smart_ptr正常工作了。
但是可以看到，这样的smart_ptr有很大的缺点，我们的智能指针只能指向我们的person对象，我们需要他指向新的对象时岂不是又要依葫芦画瓢写一个新的smart_ptr么？显然，这是c++，我们当然有更通用的方法：模板。我们可以使用模板使我们的smart_ptr在编译时决定它指向的对象，所以改进的版本：

[cpp] view
plaincopy

//

//our simple smart pointer

//

template <typename T>

class smart_ptr{

public:

smart_ptr(T* p);

~smart_ptr();

T& operator*();

T* operator->();

private:

T* ptr;

};



template <typename T>

smart_ptr<T>::smart_ptr(T* p):ptr(p){



}



template <typename T>

smart_ptr<T>::~smart_ptr(){

delete ptr;

}



template <typename T>

T& smart_ptr<T>::operator*(){

return *ptr;

}



template <typename T>

T* smart_ptr<T>::operator->(){

return ptr;

}

引用计数

我们的smart_ptr是不是完美了呢？看看下面这种情况：

[cpp] view
plaincopy

#include "person.h"

#include "smart_ptr.h"

using namespace std;

int main(){

smart_ptr<person> p(new person("Cici"));

p -> tell();

{

smart_ptr<person> q = p;

q -> tell();

}

}

执行一下：



程序出错了。分析一下很容易找到原因：我们的智能指针q在程序跑出自己的作用域后就释放了指向的person对象，而我们的指针p由于和q指向的同一对象，所以在程序退出时企图再次释放一个已经被释放的对象，显然会出现经典的segmentation fault异常了。所以，我们“简单的”smart_ptr是过于“简单”了。

有什么办法解决这个问题呢？想想操作系统中的文件引用计数器。操作系统为每个打开的文件维护一个“引用计数”，当多个进程同时打开一个文件时系统会依次将引用计数加1。若某个进程关闭了某个文件此时文件不会立即被关闭，系统只是将引用计数减1，当引用计数为0时表示这时已经没用人使用这个文件了，系统才会把文件资源释放。所以这里，我们也可以为smart_ptr所指向的对象维护一个引用计数，当有新的smart_ptr指向这个对象时我们将引用计数加1，smart_ptr被释放时我们只是将引用计数减一；当引用计数减为0时，我们才真正的销毁smart_ptr所指向的对象。

另外，我们之前的smart_ptr还缺少无参构造函数，拷贝构造函数和对“=”运算符的重载。我们之前的版本并没有重载“=”运算符但程序依然可以正常执行，这是因为此时使用了编译器的合成版本，这也是不安全的（尽管这里没有发现问题）。

好吧，下面是最终的修改版本（添加的部分我特意都添加了注释）：

[cpp] view
plaincopy

//

//smart_ptr.h : our simple smart pointer

//

template <typename T>

class smart_ptr{

public:

//add a default constructor

smart_ptr();

//

smart_ptr(T* p);

~smart_ptr();

T& operator*();

T* operator->();

//add assignment operator and copy constructor

smart_ptr(const smart_ptr<T>& sp);

smart_ptr<T>& operator=(const smart_ptr<T>& sp);

//

private:

T* ptr;

//add a pointer which points to our object's referenct counter

int* ref_cnt;

//

};



template <typename T>

smart_ptr<T>::smart_ptr():ptr(0),ref_cnt(0){

//create a ref_cnt here though we don't have any object to point to

ref_cnt = new int(0);

(*ref_cnt)++;

}



template <typename T>

smart_ptr<T>::smart_ptr(T* p):ptr(p){

//we create a reference counter in heap

ref_cnt = new int(0);

(*ref_cnt)++;

}



template <typename T>

smart_ptr<T>::~smart_ptr(){

//delete only if our ref count is 0

if(--(*ref_cnt) == 0){

delete ref_cnt;

delete ptr;

}

}



template <typename T>

T& smart_ptr<T>::operator*(){

return *ptr;

}



template <typename T>

T* smart_ptr<T>::operator->(){

return ptr;

}



template <typename T>

smart_ptr<T>::smart_ptr(const smart_ptr<T>& sp):ptr(sp.ptr),ref_cnt(sp.ref_cnt){

(*ref_cnt)++;

}



template <typename T>

smart_ptr<T>& smart_ptr<T>::operator=(const smart_ptr<T>& sp){

if(&sp != this){

//we shouldn't forget to handle the ref_cnt our smart_ptr previously pointed to

if(--(*ref_cnt) == 0){

delete ref_cnt;

delete ptr;

}

//copy the ptr and ref_cnt and increment the ref_cnt

ptr = sp.ptr;

ref_cnt = sp. ref_cnt;

(*ref_cnt)++;

}

return *this;

}

为了测试我们的smart_ptr的全部功能，这里测试用例也做一些增加：

[cpp] view
plaincopy

#include "person.h"

#include "smart_ptr.h"

using namespace std;

int main(){

smart_ptr<person> r;

smart_ptr<person> p(new person("Cici"));

p -> tell();

{

smart_ptr<person> q = p;

q -> tell();

r = q;

smart_ptr<person> s(r);

s -> tell();

}

r -> tell();

}

执行结果如下：



可以看到，我们的Cici对象只有在最后才被销毁，我们的smart_ptr终于顺利完成任务了。

ps：

写到这里，我们的smart_ptr是否完美了呢？No。

比如：我们的对象如果被多个线程中的smart_ptr引用，我们的smart_ptr就又有出问题的隐患了，因为这里根本没有考虑线程对ref_cnt访问的互斥，所以我们的引用计数是有可能出现计数问题的。这里就不再实现了，毕竟，我们这里的smart_ptr只是是“简单的”实现~

//main.cpp

#include "person.h"
#include "smart_ptr.h"

using namespace std;
int test() {
  //auto_ptr<person> p(new person("Cici"));
  //SmartPointer<person> p(new person("Cici"));
  //p -> tell();
  SmartPointer<person> r(new person("taoqi"));  
  SmartPointer<person> p(new person("Cici"));  
  p -> tell();  
  {  
	SmartPointer<person> q = p;  
    q -> tell();  
    r = q;  
	SmartPointer<person> s(r);  
    s -> tell();  
  }  
  r -> tell();  
  return 0;

}
int main(){
  test();
  return 0;
  
}

//smart_ptr.h

template <class T> 
class SmartPointer {
 public:

  SmartPointer(T* ptr) {
    ref = ptr;
    ref_count = (unsigned*)malloc(sizeof(unsigned));
    *ref_count = 1;
  }
  SmartPointer(SmartPointer<T> & sptr) {
    ref = sptr.ref;
    ref_count = sptr.ref_count;
    ++*ref_count;
  }
  T* SmartPointer<T>::operator->() {  
    return ref;  
  }  
  T& SmartPointer<T>::operator*() {  
    return *ref;  
  }  
  ~SmartPointer() {
    --*ref_count;
    if (*ref_count == 0) {
      delete ref;
      free(ref_count);
      ref = NULL;
      ref_count = NULL;
    }
  }
  SmartPointer<T> & operator=(SmartPointer<T> & sptr) {
    if (this != &sptr) {
      ref = sptr.ref;
      ref_count = sptr.ref_count;
      ++*ref_count;
    }
    return *this;
  }
  T getValue() { 
    return *ref; 
  }
 protected:
  T * ref;
  unsigned * ref_count;
};

基本的函数：构造函数、析构函数、拷贝构造函数

重载运算符的函数：T* operator->() T& operator*() SmartPointer<T> & operator=(SmartPointer<T>& sptr) T getValue()

计数器增加的场合：拷贝构造函数，重载=的操作

计数器减少的场合：析构函数，即离开作用域的场合

//person.h

//
//a person who can tell us his/her name.
//
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class person{
public:
	person(string);
	void tell();
	~person();
private:
	string name;	  
};
person::person(string name):name(name){
}
void person::tell(){
  cout << "Hi! I am " << name << endl;
}
person::~person(){
  cout << "Bye!" << endl;
}