智能指针原理分析与自己的shared_ptr实现

原理分析

内存管理历来是C++编程的一项需要小心费力气的活，因为C++本身不带GC机制，所有的内存管理都需要我们手动实现，从malloc / free 到new / delete，再到allocator的出现，无非都是为了更合理简单的避免内存泄露。

指针本身是一个用法十分灵活并且功能强大的工具，然而它对内存的直接掌控也使得它不得不常常背起内存泄露的黑锅，因为忘记删除指针或者将一个指针删除两次的错误往往十分隐蔽，难以侦查。为了解决这个问题，boost中的智能指针终于还是在C++11中被纳入了标准库。

来看个例子：

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std::string* stringPtr1 = new std::string;
std::string* stringPtr2 = new std::string[100];
… // do something
delete stringptr1; // 删除一个对象
delete[] stringPtr2; // 删除一个由对象组成的数组

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看上去一切都很好：new出来的两个对象在完成任务后都被delete掉了。然而考虑在do something的时候发生点什么，比如抛出异常，程序跳转，或者函数返回了，那么会发生什么呢？显然，这两个delete并不会得到执行，也就是说，内存泄露了。假如把上面的指针定义成智能指针，那么一切问题都将烟消云散，如下。

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shared_ptr stringPtr1(new std::string);
shared_ptr stringPtr2 = new std::string[100];
… // do something

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那么智能指针是如何帮助我们管理内存的呢？事实上，智能指针就是一个作用是资源管理的类，它是你在堆栈上声明的类模板，并可通过使用指向某个堆分配的对象的原始指针进行初始化（RAII）。

在初始化智能指针后，它将拥有原始指针，这意味着智能指针负责删除原始指针指定的内存， 智能指针析构函数包括要删除的调用，当智能指针超出范围时将调用其析构函数，析构函数会自动释放资源。

现代C++中的三种智能指针简单介绍如下（引自MSDN智能指针（现代 C++））：

• unique_ptr
  只允许基础指针的一个所有者。 除非你确信需要 shared_ptr，否则请将该指针用作 POCO 的默认选项。 可以移到新所有者，但不会复制或共享。 替换已弃用的 auto_ptr。 与 boost::scoped_ptr 比较。 unique_ptr 小巧高效，大小等同于一个指针且支持 rvalue 引用，从而可实现快速插入和对 STL 集合的检索。
• shared_ptr
  采用引用计数的智能指针。 如果你想要将一个原始指针分配给多个所有者（例如，从容器返回了指针副本又想保留原始指针时），请使用该指针。 直至所有 shared_ptr 所有者超出了范围或放弃所有权，才会删除原始指针。 大小为两个指针：一个用于对象，另一个用于包含引用计数的共享控制块。
• weak_ptr
  结合 shared_ptr 使用的特例智能指针。 weak_ptr 提供对一个或多个 shared_ptr 实例拥有的对象的访问，但不参与引用计数。 如果你想要观察某个对象但不需要其保持活动状态，请使用该实例。 在某些情况下，用于断开 shared_ptr 实例间的循环引用。

shared_ptr 解析

shared_ptr的原理是引用计数法reference counting，每多一个智能指针指向同一个对象时，引用+1，而析构则相反，如果计数为零，则保存的指针被删除。

正常的指针的功能智能指针都有，如（以下用mySmartPtr代替shared_ptr，这是自己实现的智能指针名字）

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int *pi = new int(42);     
mySmartPtr *hpa(new mySmartPtr(pi));    // 构造函数  
mySmartPtr *hpb = new mySmartPtr(*hpa); // 拷贝构造函数  
mySmartPtr  hpd = *hpa;                      // 拷贝构造函数  

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同时，无论复制shared_ptr多少次，只要不出现循环引用，总是可以析构掉的，如

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vector > obj;        
vector > obj2;  
obj2.push_back(obj[0]);

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除了析构对象的工作，shared_ptr同时也需要帮助我们解决类型转换的问题。一个是多态性的体现，即以基类指针指向派生类对象：

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vector > obj;        // 父类指针vector
obj.push_back(new Derived1);          // 指向子类1
obj.push_back(new Derived2);          // 指向子类2

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另一个是dynamic_cast转型，如下，使用dynamic_cast(static_cast(new Derived1))会得到空指针：

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mySmartPtr d1 = new Derived1;
mySmartPtr b = d1;              // b指向的是Derived1
mySmartPtr d2 = b.Cast();  // 转型失败返回空指针

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具体来说，一个智能指针的实现要完成以下功能：

1. 没有参数构造的时候，初始化为空，即对象和引用计数的两个指针都为0

2. 使用指针为参数构造时，拥有此指针，在没有智能指针指向它时进行析构

3. 智能指针复制时，两个智能指针共同拥有内部指针，引用计数同时+1

4. 智能指针可以使用智能指针或普通指针重新赋值。重载=操作符，对于智能指针赋值，需要考虑是否自赋值，以避免将自身析构了后再重新赋值，而普通指针赋值给智能指针，则不需要考虑自赋值，因为两者本身是两个类型

5. 获得底层指针的访问，定义getPtrPointer()和getPtrCounter()来分别返回底层指针和引用计数，定义operator bool()来处理智能指针隐式转换为bool的情况

6. 重载->和×操作符 ，来实现与普通指针相同的指针访问

7. 需要支持隐式指针类型转换，static_cast不支持而dynamic_cast支持的转换则使用Cast()成员函数来解决。考虑定义友元类，以防止指向派生类的智能指针有权限访问基类的内部对象；当转型不成功时，返回为空

8. 如果一个裸指针直接用来创建两个智能指针的话，期望的情况是当两个智能指针析构掉的时候，该指针会被delete两次从而崩溃（这是shared_ptr的特点）

9. 不处理循环引用（也是shared_ptr的特点），可以通过与weak_ptr协作来打破循环

10. 暂时不实现deleter机制，即只能传递给mySmartPtr一个参数

实际上，第8/第9两点往往是使用智能指针出现问题最多的地方，平时使用过程中要多加留意。

一个简单的实现

测试用例

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/**********************************************
    > File Name: testmySmartPtr.cpp
    > Author: ye_create
    > Mail: 
    > Created Time: 2015年05月28日 星期四 13时03分42秒
 ***********************************************/
#include 
#include 
#include "mySmartPtr.h"
using namespace std;

class Base             // 定义一个基类
{
public:
    virtual ~Base(){
        cout << "class Base" << endl;
    }
};

class Derived1 : public Base   // 派生类1
{
public:
    ~Derived1(){
        cout << "class Derived1" << endl;
    }
};    

class Derived2 : public Base    // 派生类2
{
public:
    ~Derived2(){
        cout << "class Derived2" << endl;
    }
};

int main()
{   
    int *pi = new int(42);     
    mySmartPtr<int> *hpa(new mySmartPtr<int>(pi));        // 构造函数  
    mySmartPtr<int> *hpb = new mySmartPtr<int>(*hpa);     // 拷贝构造函数  
    mySmartPtr<int>  hpd = *hpa;                          // 拷贝构造函数  
    // 观察引用计数的变化
    cout << hpa->getPtrCounter() << " " << hpb->getPtrCounter() << " "<< hpd.getPtrCounter() << endl;  
    delete hpa;  
    cout << hpd.getPtrCounter() << endl;  
    delete hpb;  
    cout << hpd.getPtrCounter() << endl;

    // 观察派生类向基类的隐式转换
    vector > obj;        // 父类指针vector
    obj.push_back(new Derived1);          // 存入子类
    obj.push_back(new Derived2);

    vector > obj2;  
    obj2.push_back(obj[0]);

    if (obj2[0])
        cout << "Cast Derived1 to Base successd" << endl;
    else
        cout << "Cast Derived1 to Base failed" << endl;

    // 观察不同类型的显式转换
    mySmartPtr d1 = new Derived1;
    mySmartPtr b = d1;              
    mySmartPtr d2 = b.Cast();  
    // d2是空，因为b指向的是Derived1而不是Derived2
    if (d2)
        cout << "Cast Derived1 to Derived2 successd" << endl;
    else
        cout << "Cast Derived1 to Derived2 failed" << endl;

    return 0;
}

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mySmartPtr实现

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/*************************************************************************
    > File Name: mySmartPtr.cpp
    > Author: ye_create
    > Mail: 
    > Created Time: 2015年05月28日 星期四 13时35分00秒
 ************************************************************************/

template <typename T>
class mySmartPtr
{
public:
    // 构造函数 默认为空
    mySmartPtr(): pointer(0), counter(0)
    {
    } 

    // 形参为指针的构造函数
    mySmartPtr(T* p): pointer(0), counter(0){
        *this = p;
    }

    // 复制构造函数
    mySmartPtr(const mySmartPtr &p): 
    pointer(p.pointer), counter(p.counter){
        Increase();
    }

    ~mySmartPtr(){
        Decrease();
    }

    // 指针的赋值操作符，类型不同，不是自赋值
    mySmartPtr operator=(T* p){
        Decrease();
        if (p){
            pointer = p;
            counter = new int(1);
        }
        else {
            pointer = 0;
            counter = 0;
        }
        return *this;
    }

    // 智能指针赋值操作符
    mySmartPtr operator=(mySmartPtr &p){
        // 处理自赋值
        if (this != &p){
            Decrease();
            pointer = p.pointer;
            counter = p.counter;
            Increase();
        }
        return *this;
    }

    operator bool() const{
        return counter != 0;
    }

    // ×操作符重载
    T* operator*() const{
        return this;
    }

    // ->操作符重载
    T* operator->() const{
        return pointer;
    }

    // 返回底层指针
    int getPtrPointer() const{
        return *pointer;
    }

    // 返回引用计数
    int getPtrCounter() const{
        return *counter;
    }

    // 处理父类子类的情况， ptr不能访问 ptr的内部对象
    template<typename C> friend class mySmartPtr;

    template<typename C> 
    mySmartPtr(const mySmartPtr &p): 
        pointer(p.pointer), counter(p.counter){
            Increase();
        }

    template<typename C>
    mySmartPtr & operator=(const mySmartPtr &p){
        Decrease();
        pointer = p.pointer;
        counter = p.counter;
        Increase();
        return *this;
    }

    // 处理内部使用 dynamic_cast做判断的转换，失败则空指针
    template<typename C>
    mySmartPtr Cast() const{
        C* converted = dynamic_cast(pointer);
        mySmartPtr result;
        if (converted){
            result.pointer = converted;
            result.counter = counter;
            result.Increase();
        }
        return result;
    }

private:
    T*      pointer;
    int*    counter;

    void Increase(){
        if (counter) 
            ++*counter;
    }

    void Decrease(){
        if (counter && --*counter == 0){
            delete pointer;
            delete counter;
            counter = 0;
            pointer = 0;
        }
    }

};

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