C++智能指针auto_ptr源码完全解析---以微软auto_ptr为例来探讨auto_ptr的用法

       对于C/C++程序员来说， 内存泄露是一个谈之色变的话题， 很多时候， 机器运行1天2天都是ok的， 但运行到一个星期后， 就卡得要死。 实际上， 很多时候是内存泄露造成的。 内存泄露很容易引入， 但是定位起来非常非常难， 在内存泄露初期， 通常没有异常症状， 但随着内存泄露的累积， 内存逐渐被啃光， 最终导致卡死或者死机。

       申请堆内存， 又没有正确释放， 就会导致内存泄露， 听起来好可怕啊， 那有没有什么办法可以解决这一难题呢？ 有的！ 人类的智慧还是很厉害的。 我么知道， 栈对象在离开其作用域的时候， 会自动调用析构函数， 所以， 可以考虑把某一栈对象与某一堆内存绑定，且在其析构函数中释放堆内存，  那么， 在该栈对象离开作用域时， 堆内存自动释放， 这就是智能指针(本质是栈对象)的原理，简直是妙招啊。  这个栈对象装得像指针一样， 所以我们称之为智能指针， 其实， 它不过就是个普通的栈对象而已。 

        在本文中， 我们来介绍智能指针中的一种------auto_ptr,  并从源码的角度来看看auto_ptr使用中存在的一些常见问题：

       我们先来看一段简单的程序：

#include <iostream>
#include <memory> // 有auto_ptr这个类模板
using namespace std;

int main()
{
auto_ptr<int> p(new int(100));

// p是个对象， 但重载了*运算符， 所以我说它很能装， 装得像个指针
cout << *p << endl; // 100

return 0;
}

      C++是一门复杂的语言， 比这个更糟糕的是： 一些不合格的C++程序员正在用它。 我们看看上面的程序， 实际上， 编译器做了太多的手脚， 这也是C++复杂的一个原因。 我们展开memory文件， 看看其中关于auto_ptr的代码， 复制过来， 然后形成如下程序：

#include <iostream>
using namespace std;

// 微软能把代码写成这样， 也是够风骚的

// TEMPLATE CLASS auto_ptr
template<class _Ty>
class auto_ptr {
public:
typedef _Ty element_type;
explicit auto_ptr(_Ty *_P = 0) _THROW0()
: _Owns(_P != 0), _Ptr(_P) {}
auto_ptr(const auto_ptr<_Ty>& _Y) _THROW0()
: _Owns(_Y._Owns), _Ptr(_Y.release()) {}
auto_ptr<_Ty>& operator=(const auto_ptr<_Ty>& _Y) _THROW0()
{if (this != &_Y)
{if (_Ptr != _Y.get())
{if (_Owns)
delete _Ptr;
_Owns = _Y._Owns; }
else if (_Y._Owns)
_Owns = true;
_Ptr = _Y.release(); }
return (*this); }
~auto_ptr()
{if (_Owns)
delete _Ptr; }
_Ty& operator*() const _THROW0()
{return (*get()); }
_Ty *operator->() const _THROW0()
{return (get()); }
_Ty *get() const _THROW0()
{return (_Ptr); }
_Ty *release() const _THROW0()
{((auto_ptr<_Ty> *)this)->_Owns = false;
return (_Ptr); }
private:
bool _Owns;
_Ty *_Ptr;
};

int main()
{
auto_ptr<int> p(new int(100));

// p是个对象， 但重载了*运算符， 所以我说它很能装， 装得像个指针
cout << *p << endl; // 100

return 0;
}

       看了上面auto_ptr的源码， 正在喝水的我， 差点呛着了。 并想问： 微软， 你还能再风骚一点么


       好吧， 我也懒得计较了。 于是， 对上面代码进行风格整理， 并作出详细的注释， 就算是剖析一下auto_ptr的源码吧：

#include <iostream>
using namespace std;

// 简单类
class A
{
public:
void fun()
{

}
};

template<class T>

// 类模板
class auto_ptr
{
public:

// explicit构造函数， 禁止类型转化
explicit auto_ptr(T *p = 0) throw()
: m_bIsOwner(p != 0), m_ptr(p)
{
cout << "debug1" << endl;
}

// owner转移
auto_ptr(const auto_ptr<T>& y) throw()
: m_bIsOwner(y.m_bIsOwner), m_ptr(y.release())
{
cout << "debug2" << endl;
}

// owner转移
auto_ptr<T>& operator=(const auto_ptr<T>& y) throw()
{
cout << "debug3" << endl;

if (this != &y) // 当前对象不是y对象
{
cout << "debug4" << endl;

if (m_ptr != y.get()) // 当前对象绑定的地址不是y对象绑定的地址
{
cout << "debug5" << endl;

if (m_bIsOwner) // 如果当前对象已经绑定堆， 则要先释放
{
cout << "debug6" << endl;
delete m_ptr;
}

cout << "debug7" << endl;

m_bIsOwner = y.m_bIsOwner; // 转移owner
}
else if (y.m_bIsOwner) // 当前对象与y绑定到同一块堆上， 且y是owner, 则把y的owner转移给当前对象
{
cout << "debug8" << endl;

m_bIsOwner = true;
}

cout << "debug9" << endl;

m_ptr = y.release();  // 让y不再是owner
}

cout << "debug10" << endl;

return *this;  // 返回当前对象的引用
}

// 析构函数
~auto_ptr()
{
cout << "debug11" << endl;

if (m_bIsOwner) // 只有拥有owner属性才释放堆， 这样避免重复释放
{
cout << "debug12" << endl;

delete m_ptr;  // 即使m_ptr是空指针也木有关系
}
}

// 重载对象的*运算符， 使得对象"看起来"像指针， 可以执行*p操作
T& operator*() const throw()
{
cout << "debug13" << endl;

return *get();
}

// 重载对象的->运算符
T *operator->() const throw()
{
cout << "debug14" << endl;

return get();
}

// 获得对象绑定的地址
T *get() const throw()
{
cout << "debug15" << endl;

return m_ptr;
}

// 去掉对象的owner属性
T *release() const throw()
{
cout << "debug16" << endl;

((auto_ptr<T> *)this)->m_bIsOwner = false;
return m_ptr;
}

private:
bool m_bIsOwner;  // 对象是否拥有为owner的标志
T *m_ptr; // 对象绑定的指针
};

int main()
{
{
cout << "------------------------------" << endl;

// 用法错误， 因为构造函数中有explicit， 不允许类型转化
//auto_ptr<int> p = new int(10);
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

// ok
auto_ptr<int> p(new int(10));
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

// 下面代码有严重的运行期错误, 实际上是尝试delete栈上的内容
int a = 10;
//auto_ptr<int> p(&a);
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p(new int(10));

// 错误， p虽然"看似像"指针， 其本质是对象， delete p;是未定义行为
//delete p;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

int *q = new int(10);
auto_ptr<int> p(q);

// 错误， q释放一次， p释放一次， 重复释放啊
//delete q;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p0;

// 有debug3的打印， 但没有debug4, 知道原因了吧
p0 = p0;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p0(new int(10));

// 注意， 这是初始化， 不是复制， 所以不会有debug3的打印
auto_ptr<int> p1 = p0;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p0(new int(10));
auto_ptr<int> p1;

// 注意， 这才是赋值， 所有有debug3, debug4, debug5, debug7, debug9, debug10的打印
// 为什么没有debug6呢？ 因为当前对象p1还不是owner
p1 = p0;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p0(new int(10));
auto_ptr<int> p1(new int(20));

// 有debug6的打印， 因为当先释放p1绑定的对象， 否则内存又泄露了啊
p1 = p0;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p0(new int(10));

// 把owner转给p1
auto_ptr<int> p1(p0);

// 终于见到你了， debug8
p0 = p1;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p(new int(10));

// 见到你了， debug13
cout << *p << endl;
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<A> p(new A());

// 终于见到你了， debug15
p->fun();
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

auto_ptr<int> p0(new int(10));
auto_ptr<int> p1(p0);
auto_ptr<int> p2(p1);

// 实际上， p3才是最后的winner, 才是最后的owner, 所以释放堆的重任在p3身上
auto_ptr<int> p3(p2);
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

// oh, my god, 内存泄露， 本来要delete [] q; 现在析构函数只执行delete q;
int *q = new int[3];
auto_ptr<int> p(q);
}

{
cout << "------------------------------" << endl;

// oh, my god, 内存泄露， 本来要delete [] q; 现在析构函数只执行delete q;
int *q = new int[3];
auto_ptr<int> p(q);

// 已经说过， 下面语句会造成内存重复释放
//delete q;
}

// 最后说明一下，  auto_ptr不适合做容器的元素， 这一点我们以后会再次讨论到

return 0;
}

    

       好了， 不多说auto_ptr了， 一切尽在代码中。