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 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 ObjRefCounted(ObjRefCounted& 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 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 SmartPointer{
           private:
                  T* m_ObjPtr;
                  unsigned int* RefCounted;
           public:
           explicit SmartPoint(T* PARAMin = 0) : m_ObjPtr(PARAMin),
                          RefCounted(new int(1)) { }
           SmartPoint(const SmartPoint& 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 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 m_Derived;
 auto_ptr m_Base;
         
 auto_ptr 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 SmartPointer& operator = (const SmartPointer& that)
          {
   if (m_pRep ! = reinterpret_cast* > (that.m_pRep))
   {
     ReleaseRef ();
     m_pRep = reinterpret_cast* > (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 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 SmartPtr
         {
            ...
            LockingProxy operator->() const
            { return LockingProxy(pointee_); }
            //
            //  核心就在这里：产生临时对象
            //  LockingProxy(pointee_)
            private:  sT* pointee_;
         };

         Programme4.
         SmartPtr 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(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 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 m_SMPTR;
          No problem !
          T* operator T*(auto_ptr& 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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