C++ Pointer-Like Classes，C++的指针类

所谓pointer-like class（像指针的类，下文简称为指针类），是指一个类被设计成像指针一样，可以当成指针来使用。为什么有了传统的指针还需要指针类？这是由于我们想在指针的基础上多做一点东西，或者说，我们想对指针有更多的控制或者让指针支持额外的功能。

下面介绍两类常见的指针类：智能指针和迭代器。

智能指针

对于传统的指针，我们可以使用两个操作符，即*解引用操作符，->成员访问操作符。一个类要设计成智能指针类，则也要提供这两个操作。这可以通过对类的操作符重载实现。

namespace ll {
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
T& operator* () const {
return *px;
}
T* operator->() const {
return px;
}
shared_ptr(T* p): px(p) {}
private:
T *px;
};
}

可以看到，shared_ptr里面包含了一个真正的指针px，这个指针会指向实际所指的对象。另外，shared_ptr还模拟了指针的的*和->操作，这通过操作符重载实现。下面的代码展示了shared_ptr的使用方法。

struct Foo
{
void method() {
cout << "method" << endl;
}
};

ll::shared_ptr<Foo> sp(new Foo);  // 定义了一个指向Foo类型的智能指针
Foo f(*sp);  // 定义了一个Foo对象，并使用智能指针sp所指向的对象来进行初始化
f.method();  // 通过对象f调成成员函数
sp->method();  // 见下面的解释

上面的代码声明了一个智能指针sp，并通过->操作符来调用成员函数。

sp->method();

会首先调用操作符函数

operator->() const

，得到智能指针内部真实的指针

px

，然后再通过

px

调用method函数（

px->method()

）。在这里，可能大家有个疑问，即

sp->

通过调用操作符函数

operator->()

已经消耗了一个

->

符号，

px->method()

的

->

是怎么来的呢？C++规定，对于调用

->

操作符后，

->

操作符并不消耗掉，而是会继续作用下去。这样一来，

sp->method();

便等同于

sp->method();

。

迭代器

迭代器也可以认为是上面所说的智能指针，不过迭代器除了提供

*

和

->

操作外，还需要提供

++

，

--

的操作。

下面的代码示例以链表的迭代器（__list_iterator）为例，展示了迭代器的特点。

namespace ll {
template<class T>
struct __list_node {
void *prev;
void *next;
T data;
};

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
typedef Ptr pointer;
typedef Ref reference;
typedef __list_node<T>* link_type;
link_type node;

reference operator*() const {
return (*node).data;
}
pointer operator->() const {
return &(operator*());
}
self& operator++() {
node = (link_type)((*node).next);
return *this;
}
self& operator--() {
node = (link_type)((*node).prev);
return *this;
}
};
}

链表（双向链表）的数据结构如下图所示。



链表的结点包含三个部分，分别前一个结点的指针，后一个结点的指针，以及数据。

迭代器

__list_iterator

包含一个真实的指针

node

，用来指向链表中的结点。可以看到，

__list_iterator

除了提供

*

和

->

操作，还提供了

++

，

--

操作。对迭代器进行

++

操作，会指向下一个元素，对迭代器进行

--

操作，会指向前一个元素。

由于

node

只是指向整个结点，为了取得结点的数据，还需要这样调用

(*node).data

。

__list_iterator

的使用的示例代码如下。

struct Foo
{
void method() {
cout << "method" << endl;
}
};

ll::__list_iterator<Foo, Foo&, Foo*> iter;
*iter;  // 获得一个Foo对象
iter->method();  // 意思是调用Foo::method()，相当于(*iter).method()，也相当于(&(*iter))->method()

首先，我们声明一个

__list_iterator

迭代器

iter

。我们知道迭代器也是一种指针类，所以可以模拟指针的操作。

通过

*

操作符，我们可以得到一个

Foo

对象。

iter->method();

则调用

Foo::method()

，这个语句复杂一点，解释如下。

我们把上面的有关代码摘录如下：

reference operator*() const { return (*node).data; }
pointer operator->() const { return &(operator*()); }

iter->method();

会首先调用

operator->() const

函数，由于

operator->() const

里面还会调用

operator*()

先取得

data

，然后再取地址，所以

operator->() const

会返回data的地址。在上例中，亦即是

Foo

对象的地址。这样，通过

->

操作符，便可以调用到

Foo::method()

。

参考资料：

1. 侯捷《C++最佳编程实践》视频，极客班，2015

2. 《C++ Primer》第15.6节，第三版，2002，潘爱民等译