智能指针的标准之争：Boost vs. Loki
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 Pointe
r）——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。
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_p
tr 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<typename T> class scoped_ptr;
template<typename T> class scoped_array;
template<typename T> class shared_ptr;
template<typename T> class shared_array;
template<typename T> 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，sc
oped_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:
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()
{
其运行结果为：
-
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<CTest> pTest(new CTest);
pTest->DoSomething();
}
-
boost::scoped_array<CTest> pTest(new CTest[2]);
pTest[0].SetId(0);
pTest[1].SetId(1);
pTest[0].DoSomething();
pTest[1].DoSomething();
std::cout << '/n';
}
-
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”（CopyConstructib
le）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。shar
ed_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<CTest> TestPtr;
void PT(const TestPtr &t)
{
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()
{
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wea
k_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”（A
ssignable）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()
{
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 P
ointer 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
<
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）、C
heckingPolicy（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：DeepCop
y（深度复制）、RefCounted（引用计数）、RefCountedMT（多线程化引用计数）、COMRe
fCounted（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：DefaultS
PStorage、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<typename T> // typedef 模板还不是标准的
typedef Loki::SmartPtr
<
下面是一个使用Loki “shared_ptr”的实例：
typedef Loki::SmartPtr<CTest> TestPtr;
void PT(const TestPtr &t)
{
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<CTest> 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::Sma
rtPtr 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（PO
SIX 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
{
下面让我们来看一个使用实例。首先让我们先定义：
Loki::SmartPtr
<
其含义为：定义一种智能指针，被它指向的类型是int，OwnershipPolicy 是NoCopy，Con
versionPolicy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)
{
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/。
-
std::cout << "id: " << t->GetId() << "/t/t" << "use count: " << t.use_coun
t() << '/n';
}
void main()
{
-
std::vector<TestPtr> 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";
}
-
boost::shared_array<CTest> pTest1(new CTest[2]);
pTest1[0].SetId(0);
pTest1[1].SetId(1);
std::cout << "use count: " << pTest1.use_count() << "/n/n";
boost::shared_array<CTest> 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";
}
-
boost::shared_ptr<CTest> pTest(new CTest);
boost::weak_ptr<CTest> pTest2(pTest);
if(boost::shared_ptr<CTest> pTest3 = boost::make_shared(pTest2))
-
pTest3->DoSomething();
pTest.reset();
assert(pTest2.get() == NULL);
}
-
typename T,
template <class>class OwnershipPolicy =RefCounted,
class ConversionPolicy =DisallowConversion,
template <class>class CheckingPolicy =AssertCheck,
template <class>class StoragePolicy =DefaultSPStorage
>
class SmartPtr;
-
T,
RefCounted, // 以下都是缺省的模板参数
DisallowConversion,
AssertCheck,
DefaultSPStorage
>
shared_ptr;
-
std::cout << "id: " << t->GetId() << '/n';
}
void main()
{
-
std::vector<TestPtr> 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";
}
-
// 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 T> 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 <class T>
struct In
{
typedef TS_SPStorage<T> type;
};
};
};
-
int,
Loki::NoCopyWrapper,
Loki::DisallowConversion,
Loki::NoCheckWrapper,
Loki::TS_SPStorageWrapper
> value;
-
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);
}