关于boost和loki的智能指针

 
　
 技术文档(Document) 
 
　 撰文/马维达
 　
　 智能指针的标准之争：Boost vs. Loki
 　
　
　　2001 年10 月和2002 年4 月，在美国的华盛顿和荷兰的安的列斯群岛上分别召开了两次C++标准会议。会议的内容之一是对一项新的C++特性提议——智能指针（Smart Pointer）——进行讨论。本文将对可能成为C++新标准的两种智能指针方案（Boost vs. Loki）进行介绍和分析，并给出了相应的使用实例。

关键词：智能指针 C++ Boost Loki

　　在现在的标准C++中，只有一种智能指针：std::auto_ptr。其原因并非是因为auto_ptr 已足以应付所有相关的工作——实际上，auto_ptr 有一个重大的缺陷，就是它不能被用在STL 容器中——而是因为现在的C++标准在制定时并未能对智能指针进行全面的考察。按照C++标准委员会成员Herb Sutter 的说法，只有一种标准的智能指针是一件“可羞”的事情：首先，智能指针所能做的许多有用的事情，是可怜的auto_ptr 不能完成的；其次，在有些情况下使用auto_ptr 可能会造成问题，上面所说的不能在容器中使用就是一例。实际上，许多程序员已经开发了各种有用的智能指针，有些甚至在auto_ptr 被定为标准之前就已存在，但问题是，它们不是标准的。在这样的情况下，C++标准委员会考虑引入新的智能指针，也就是自然而然的事情了。目前进入委员会视野的，主要有两种智能指针方案：Boost 智能指针和Loki 智能指针。前者是由C++标准委员会库工作组发起的Boost 组织开发的，而后者由世界级的C++专家Andrei Alexandrescu 开发，并在他所著的“Modern C++ Design”一书中进行了详细的阐释。下面，让我们分别来看一看这两种方案各自的技术特点。

一、 Boost 智能指针
Boost 的智能指针方案实现了五种智能指针模板类，每种智能指针都用于不同的目的。这五种智能指针是：

　　template class scoped_ptr;
　　template class scoped_array;
　　template class shared_ptr;
　　template class shared_array;
　　template class weak_ptr;

下面将分别介绍它们各自的特性，并给出相应的使用实例：

　　scoped_ptr：意在用作指向自动（栈）对象的、不可复制的智能指针。该模板类存储的是指向动态分配的对象（通过new 分配）的指针。被指向的对象保证会被删除，或是在scoped_ptr 析构时，或是通过显式地调用reset 方法。注意该模板没有“共享所有权”或是“所有权转让”语义。同时，它也是不可复制的（noncopyable）。正因为如此，在用于不应被复制的指针时，它比shared_ptr 或std:auto_ptr 要更安全。与auto_ptr一样，scoped_ptr 也不能用于STL 容器中；要满足这样的需求，应该使用shared_ptr。另外，它也不能用于存储指向动态分配的数组的指针，这样的情况应使用scoped_array。

下面是使用scoped_ptr 的一个简单实例：

class CTest
{
public:
    CTest() : m_id(0) {}
    CTest(int id) : m_id(id) {}
    ~CTest() { std::cout << "id: " << m_id << " - Destructor is being called/n"; }
    void SetId(int id) { m_id = id; }
    int GetId() { return m_id; }
    void DoSomething()
    { std::cout << "id: " << m_id << " - Doing something/n"; }
private:
    int m_id;
};
void main()
{
    boost::scoped_ptr pTest(new CTest);
    pTest->DoSomething();
}

其运行结果为：
　　id: 0 - Doing something
　　id: 0 - Destructor is being called
（以下的几个例子所用的CTest 类的定义完全相同，为节省篇幅，不再列出——作者）

显然，尽管我们自己没有调用delete，pTest 仍然为我们正确地删除了它所指向的对象。看起来scoped_ptr的用途和auto_ptr 十分类似，但实际上，scoped_ptr 类型的指针的所有权不可转让，这一点是和auto_ptr相当不同的。

　　scoped_array：该模板类与scoped_ptr 类似，但意在用于数组而不是单个对象。std::vector 可用于替换scoped_array，并且远为灵活，但其效率要低一点。在不使用动态分配时，boost::array 也可用于替换scoped_array。

下面是一个使用scoped_array 的实例：

void main()
{
    boost::scoped_array pTest(new CTest[2]);
    pTest[0].SetId(0);
    pTest[1].SetId(1);
    pTest[0].DoSomething();
    pTest[1].DoSomething();
    std::cout << '/n';
}

其运行结果为：
　　id: 0 - Doing something
　　id: 1 - Doing something
　　id: 1 - Destructor is being called
　　id: 0 - Destructor is being called
scoped_array 将负责使用delete []，而不是delete 来删除它所指向的对象。

　　shared_ptr：意在用于对被指向对象的所有权进行共享。与scoped_ptr 一样，被指向对象也保证会被删除，但不同的是，这将发生在最后一个指向它的shared_ptr 被销毁时，或是调用reset 方法时。shared_ptr符合C++标准库的“可复制构造”（CopyConstructible）和“可赋值”（Assignable）要求，所以可被用于标
准的库容器中。另外它还提供了比较操作符，所以可与标准库的关联容器一起工作。shared_ptr 不能用于存储指向动态分配的数组的指针，这样的情况应该使用shared_array。该模板的实现采用了引用计数技术，所以无法正确处理循环引用的情况。可以使用weak_ptr 来“打破循环”。shared_ptr 还可在多线程环境中使用。

下面的例子演示怎样将shared_ptr 用于std::vector 中：

typedef boost::shared_ptr TestPtr;
void PT(const TestPtr &t)
{
    std::cout << "id: " << t->GetId() << "/t/t" << "use count: " << t.use_count() << '/n';
}
void main()
{
    std::vector TestVector;
    TestPtr pTest0(new CTest(0));
    TestVector.push_back(pTest0);
    TestPtr pTest1(new CTest(1));
    TestVector.push_back(pTest1);
    TestPtr pTest2(new CTest(2));
    TestVector.push_back(pTest2);
    std::for_each(TestVector.begin(), TestVector.end(), PT);
    std::cout << '/n';
    pTest0.reset();
    pTest1.reset();
    pTest2.reset();
    std::for_each(TestVector.begin(), TestVector.end(), PT);
    std::cout << '/n';
    TestVector.clear();
    std::cout << '/n';
    std::cout << "exiting.../n";
}

其运行结果为：
　　id: 0 use count: 2
　　id: 1 use count: 2
　　id: 2 use count: 2
　　id: 0 use count: 1
　　id: 1 use count: 1
　　id: 2 use count: 1
　　id: 0 - Destructor is being called
　　id: 1 - Destructor is being called
　　id: 2 - Destructor is being called
　　exiting...

运行结果中的“use count”是通过shared_ptr 的use_count()方法获得的“使用计数”，也就是，对所存储指针进行共享的shared_ptr 对象的数目。我们可以看到，在通过new 分配了3 个CTest 对象，并将相应的shared_ptr 对象放入TestVector 后，三个使用计数都为2；而在我们使用reset()方法复位pTest0、pTest1 和pTest2 后，TestVector 中的各个shared_ptr 对象的使用计数变成了1。这时，我们调用TestVector的clear()方法清除它所包含的shared_ptr 对象；因为已经没有shared_ptr 对象再指向我们先前分配的3个CTest 对象，这3 个对象也随之被删除，并导致相应的析构器被调用。

　　shared_array：该模板类与shared_ptr 类似，但意在用于数组而不是单个对象。指向std::vector 的shared_ptr 可用于替换scoped_array，并且远为灵活，但其效率也要低一点。

下面是使用实例：

void main()
{
    boost::shared_array pTest1(new CTest[2]);
    pTest1[0].SetId(0);
    pTest1[1].SetId(1);
    std::cout << "use count: " << pTest1.use_count() << "/n/n";
    boost::shared_array pTest2(pTest1);
    std::cout << "use count: " << pTest1.use_count() << "/n/n";
    pTest1.reset();
    pTest2[0].DoSomething();
    pTest2[1].DoSomething();
    std::cout << '/n';
    std::cout << "use count: " << pTest1.use_count() << "/n/n";
}

其运行结果为：
　　use count: 1
　　use count: 2
　　id: 0 - Doing something
　　id: 1 - Doing something
　　use count: 1
　　id: 1 - Destructor is being called
　　id: 0 - Destructor is being called
如此例所示，我们通过new 所分配的数组只有在指向它的pTest1 和pTest2 都被销毁或复位后才被删除。

　　weak_ptr：该模板类存储“已由shared_ptr 管理的对象”的“弱引用”。要访问weak_ptr 所指向的对象，可以使用shared_ptr 构造器或make_shared 函数来将weak_ptr 转换为shared_ptr。指向被管理对象的最后一个shared_ptr 被销毁时将删除该对象，即使仍有weak_ptr 指向它也是如此。与原始指针不同的是，届时最后一个shared_ptr 会检查是否有weak_ptr 指向该对象，如果有的话就将这些weak_ptr 置为空。这样就不会发生使用原始指针时可能出现的“悬吊指针”（dangling pointer）情况，从而获得更高的安全水平。
　　weak_ptr 符合C++标准库的“可复制构造”（CopyConstructible）和“可赋值”（Assignable）要求，所以可被用于标准的库容器中。另外它还提供了比较操作符，所以可与标准库的关联容器一起工作。

void main()
{
    boost::shared_ptr pTest(new CTest);
    boost::weak_ptr pTest2(pTest);
    if(boost::shared_ptr pTest3 = boost::make_shared(pTest2))
        pTest3->DoSomething();
    pTest.reset();
    assert(pTest2.get() == NULL);
}

其运行结果为：
　　id: 0 - Doing something
　　id: 0 - Destructor is being called
main 函数最后的断言确认了pTest2 所存储的指针的确已被置为NULL。

　　显然，Boost 的智能指针方案会让我们产生这样的疑问：如果我们还需要其他类型的智能指针（比如支持COM 的智能指针），是否意味着我们必须在C++中再增加智能指针类型，或是采用非标准的实现呢？在泛型技术已得到极大发展的今天，Boost 的“增加增加再增加”的思路是不能让人满意的。正是在这里，我们看到了下面将要介绍的Loki Smart Pointer 的关键点：通过基于策略（policy-based）的设计来实现通用的智能指针模板。

二、 Loki 智能指针
　　按照美国传统辞典（双解）的解释，Loki 是“A Norse god who created discord, especially among his fellow gods.”（斯堪的纳维亚的一个制造混乱的神，尤其是在其同类之间）。就其给Boost 智能指针带来的麻烦而言，Loki 智能指针倒真的当得起这个名字；而在另一方面，就其实现的优雅以及功能的强大（也就是说，它给开发者带来的好处）而言，它也的确属于“神族”。
　　上面已经说过，Loki 的智能指针方案采用了基于策略的设计。其要点在于把将各功能域分解为独立的、由主模板类进行混合和搭配的策略。让我们先来看一看Loki 智能指针模板类SmartPtr 的定义：

template
<
    typename T,
    template class OwnershipPolicy =RefCounted,
    class ConversionPolicy =DisallowConversion,
    template class CheckingPolicy =AssertCheck,
    template class StoragePolicy =DefaultSPStorage
>
class SmartPtr;

我们可以看到，除了SmartPtr 所指向的对象类型T 以外，在模板类SmartPtr 中包括了这样一些策略：OwnershipPolicy（所有权策略）、ConversionPolicy（类型转换策略）、CheckingPolicy（检查策略）、StoragePolicy（存储策略）。正是通过这样的分解，使得SmartPtr 具备了极大的灵活性。我们可以任意组合各种不同的策略，从而获得不同的智能指针实现。下面先对各个策略逐一进行介绍：

　　OwnershipPolicy：指定所有权管理策略，可以从以下预定义的策略中选择：DeepCopy（深度复制）、RefCounted（引用计数）、RefCountedMT（多线程化引用计数）、COMRefCounted（COM 引用计数）、RefLinked（引用链接）、DestructiveCopy（销毁式复制），以及NoCopy（无复制）。
　　ConversionPolicy：指定是否允许进行向被指向类型的隐式转换。可以使用的实现有AllowConversion 和DisallowConversion。
　　CheckingPolicy：定义错误检查策略。可以使用AssertCheck、AssertCheckStrict、RejectNullStatic、RejectNull、RejectNullStrict，以及NoCheck。
　　StoragePolicy：定义怎样存储和访问被指向对象。Loki 已定义的策略有：DefaultSPStorage、ArrayStorage、LockedStorage，以及HeapStorage。

除了Loki 已经定义的策略，你还可以自行定义策略。实际上，Loki 的智能指针模板覆盖了四种基本的Boost 智能指针类型：scoped_ptr、scoped_array、shared_ptr 和shared_array；至于weak_ptr，也可以通过定义相应的策略来实现其等价物。通过即将成为C++标准（C++0x）的typedef 模板特性，我们还可以利用Loki 的SmartPtr 模板来直接定义前面提到的Boost 的前四种智能指针类型。举例来说，我们可以这样定义：

shared_ptr：
template // typedef 模板还不是标准的
typedef Loki::SmartPtr
<
    T,
    RefCounted, // 以下都是缺省的模板参数
    DisallowConversion,
    AssertCheck,
    DefaultSPStorage
>
shared_ptr;

下面是一个使用Loki “shared_ptr”的实例：

typedef Loki::SmartPtr TestPtr;
void PT(const TestPtr &t)
{
    std::cout << "id: " << t->GetId() << '/n';
}

void main()
{
    std::vector TestVector;
    TestPtr pTest0(new CTest(0));
    TestVector.push_back(pTest0);
    TestPtr pTest1(new CTest(1));
    TestVector.push_back(pTest1);
    std::for_each(TestVector.begin(), TestVector.end(), PT);
    std::cout << '/n';
    Loki::Reset(pTest0, NULL);
    Loki::Reset(pTest1, NULL);
    std::for_each(TestVector.begin(), TestVector.end(), PT);
    std::cout << '/n';
    TestVector.clear();
    std::cout << '/n';
    std::cout << "exiting.../n";
}

其运行结果为：
　　id: 0
　　id: 1
　　id: 0
　　id: 1
　　id: 0 - Destructor is being called
　　id: 1 - Destructor is being called
　　exiting...

前面已经提到，要通过Loki 定义与Boost 的shared_ptr 功能等价的智能指针，除了第一个模板参数以外，其他的参数都可以使用缺省值，所以在上面的例子中，我们直接使用“typedef Loki::SmartPtr TestPtr;”就可以了。非常的简单！

为了进一步说明Loki 的“基于策略的设计方法”，让我们再来看一个更为复杂的例子：通过Loki::SmartPtr 实现线程专有存储（Thread-Specific Storage，TSS；又称线程局部存储，Thread Local Storage，TLS）。

所谓线程专有存储，是指这样一种机制，通过它，多线程程序可以使用一个逻辑上的全局访问点来访问线程专有的数据，并且不会给每次访问增加额外的锁定开销。举一个简单的例子，在C 语言中，我们可以通过errno变量来获取错误代码；通常errno 就是一个普通的全局变量——在单线程环境中，这当然没有什么问题，但如果
是多线程环境，这个全局的errno 变量就会给我们带来麻烦了。TSS 正是解决这一问题的有效方案。

显然，智能指针的语义能够很好地适用于TSS。我们可以编写一种智能指针，使得所有对其所指向对象的访问都成为线程专有的——也就是说，每个线程访问的实际上是自己专有的对象，但从程序的外表来看，却都是对同一对象的访问。有了Loki::SmartPtr，我们可以非常容易地实现这样的智能指针：如其名字所指示的，TSS 涉及的是存储问题，我们只要对Loki::SmartPtr 的StoragePolicy 进行定制就可以了，其他的工作可以交给Loki::SmartPtr 去完成。

在POSIX PThreads 库和Win32 中都提供了用于线程专有存储的函数，它们分别是pthread_key_create、pthread_setspecific、pthread_getspecific 和pthread_key_delete（POSIX PThreads 库），以及TlsAlloc、TlsSetvalue、TlsGetvalue 和TlsFree（Win32）。关于这些函数的详细信息，请参阅相关的文档。

下面给出在MSVC 6.0 下实现的用于TSS 的StoragePolicy，并通过注释逐行进行分析（这个实现使用了PThreads-Win32 库，这是一个Win32 上的PThreads 实现。使用Win32 的线程专有函数也可以实现类似的StoragePolicy，但编写在线程退出时调用的CleanupHook()却需要一点“窍门”。具体方法可参考Boost 的thread_specific_ptr 实现）：

namespace Loki
{
    // 实现TSS 的Loki 存储策略。改编自Douglas C. Schmidt、Timothy H. Harrison
    // 和Nat Pryce 的论文“Thread-Specific Storage for C/C++”中的部分代码。
    // 使用了“Loki VC 6.0 Port”。
template class TS_SPStorage
{
public:
    typedef T* StoredType; // 被指向对象的类型。
    typedef T* PointerType; // operator->所返回的类型。
    typedef T& ReferenceType; // operator*所返回的类型。
public:
    // 构造器。对成员变量进行初始化。
    TS_SPStorage() : once_(0), key_(0), keylock_(NULL)
        { pthread_mutex_init(&keylock_, NULL); }
    // 析构器。释放先前获取的资源。
    ~TS_SPStorage()
    {
        pthread_mutex_destroy(&keylock_);
        pthread_key_delete(key_);
    }
    // 返回线程专有的被指向对象。
    PointerType operator->() const { return GetPointee(); }
    // 返回线程专有的被指向对象的引用。
    ReferenceType operator*() { return *GetPointee(); }
    // Accessors。获取线程专有的被指向对象。
    friend inline PointerType GetImpl(TS_SPStorage& sp)
    { return sp.GetPointee(); }
    // 获取线程专有的被指向对象的引用。
    // 该函数没有实现。但NoCheck 需要它才能正常工作。
    friend inline const StoredType& GetImplRef(const TS_SPStorage& sp)
    { return 0; }
protected:
    // 销毁所存储的数据。空函数。该工作将由CleanupHook()在各个线程退出时完成。
    void Destroy() {}
    // 获取当前线程专有的数据。
    PointerType GetPointee()
    {
        PointerType tss_data = NULL;
        // 使用双重检查锁定模式来在除了初始化以外的情况下避免锁定。
        // 之所以在这里，而不是在构造器中对“专有钥”进行初始化及分配TS 对象，
        // 是因为：(1) 最初创建TS 对象的线程（例如，主线程）常常并不是使用
        // 它的线程（工作线程），所以在构造器中分配一个TS 对象的实例常常并无
        // 好处，因为这个实例只能在主线程中访问。(2)在有些平台上，“专有
        // 钥”是有限的资源，所以等到对TS 对象进行第一次访问时再进行分配，有
        // 助于节省资源。
        // 第一次检查。
        if(once_ == 0)
        {
            // 加锁。确保访问的序列化。
            pthread_mutex_lock(&keylock_);
            // 双重检查。
            if(once_ == 0)
            {
                // 创建“专有钥”。
                pthread_key_create(&key_, &CleanupHook);
                // 必须在创建过程的最后出现，这样才能防止其他线程在“专有钥”
                // 被创建之前使用它。
                once_ = 1;
            }
            // 解锁。
            pthread_mutex_unlock(&keylock_);
        }
        // 从系统的线程专有存储中获取数据。注意这里不需要加锁。
        tss_data = (PointerType)pthread_getspecific(key_);
        // 检查是否这是当前线程第一次进行访问。
        if (tss_data == NULL)
        {
            // 从堆中为TS 对象分配内存。
            tss_data = new T;
            // 将其指针存储在系统的线程专有存储中。
            pthread_setspecific(key_, (void *)tss_data);
        }
        return tss_data;
    }
private:
    // 用于线程专有数据的“专有钥”。
    pthread_key_t key_;
    // “第一次进入”标志。
    int once_;
    // 用于避免在初始化过程中产生竞态情况。
    pthread_mutex_t keylock_;
    // 清扫挂钩函数，释放为TS 对象分配的内存。在每个线程退出时被调用。
    static void CleanupHook (void *ptr)
    {
        // 这里必须进行类型转换，相应的析构器才会被调用（如果有的话）
        delete (PointerType)ptr;
    }
};

// 用于模拟typedef template 的结构。
// 参见Herb Sutter 的“Template Typedef”一文。
struct TS_SPStorageWrapper
{
    template
    struct In
    {
        typedef TS_SPStorage type;
    };
};
};

下面让我们来看一个使用实例。首先让我们先定义：

Loki::SmartPtr
<
    int,
    Loki::NoCopyWrapper,
    Loki::DisallowConversion,
    Loki::NoCheckWrapper,
    Loki::TS_SPStorageWrapper
> value;

其含义为：定义一种智能指针，被它指向的类型是int，OwnershipPolicy 是NoCopy，ConversionPolicy是DisallowConversion，CheckingPolicy 是NoCheck（因为TS 对象存储方式的限制，这是惟一能和TS_SPStorage 一起使用的CheckingPolicy。读者可自行尝试找到更好的解决方案），StoragePolicy 是TS_SPStorage。
然后，编写这样一个程序：

pthread_mutex_t io_mutex = NULL; // iostreams 不一定是线程安全的!
void *thread_proc(void *param)
{
    int id = (int)param;
    *value = 0;
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        (*value)++;
        pthread_mutex_lock(&io_mutex);
        std::cout << "thread " << id << ": " << *value << '/n';
        pthread_mutex_unlock(&io_mutex);
    }
    return NULL;
}

void main(int argc, char* argv[])
{
    pthread_mutex_init(&io_mutex, NULL);
    pthread_t id[3];
    for(int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&id[i], 0, thread_proc, (void *)i);
    for(int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_join(id[i], NULL);
    pthread_mutex_destroy(&io_mutex);
}

其运行结果为：
　　thread 0: 1
　　thread 0: 2
　　thread 1: 1
　　thread 2: 1
　　thread 1: 2
　　thread 2: 2
　　thread 1: 3
　　thread 2: 3
　　thread 0: 3

由此我们可以看出，尽管看起来在各个线程中访问的都是同样的*value，但实际上访问的却是各自的线程专有的对象。而且除了初始化以外，对这些对象的访问无需进行序列化。因为Loki::SmartPtr 为我们做了大量的工作，TS_SPStorage 的实现十分简洁明了。有兴趣的读者，可以对这里的实现与Boost 的thread_specific_ptr 进行比较。像这样对Loki::SmartPtr 的策略进行的定制，在理论上数目是无限的，也就是说，通过它我们可以拥有五花八门、“千奇百怪”的智能指针——了不起的Loki，不是吗？有了这样的模板类，我们就再不需要一次一次地为标准C++增加新的智能指针类型了。

三、 结束语
　　在推进器Boost 和斯堪的纳维亚之神Loki 的战争中，谁将胜出恐怕已不言而喻。倘若扮演上帝的C++标准委员会起了偏心，硬要选中Boost 的智能指针方案的话，那么在接下来的日子里，他们就将不再是C++标准委员会，而是C++智能指针救火委员会了。而即便那样，Loki，斯堪的纳维亚之神，也仍将矗立在C++大陆上，为他的“子民”——C++程序员们——带来统一、秩序和和谐。

相关资源
1. Herb Sutter，The New C++: Smart(er) Pointers，见C++ User Journal 网站：http://www.cuj.com/experts/2008/sutter.htm
2. Boost 文档：http://www.boost.org
3. Andrei Alexandrescu，Modern C++ Design 及Loki，见http://www.moderncppdesign.com或http://www.awprofessional.com/catalog/product.asp?product_id=%7B4ED3E6F3-371F-4ADC-9810-CC7B936164E3%7D。
4. Douglas C. Schmidt、Timothy H. Harrison 和Nat Pryce，Thread-Specific Storage for C/C++，见http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/或http://www.flyingdonkey.com/ace/（中文）。
5. Herb Sutter，Template Typedef，见http://www.gotw.ca/gotw/079.htm。
6. PThreads-Win32 库，见http://sources.redhat.com/pthreads-win32/。