自己实现 SharedPtr（1） —— 管理 Deleter

从去年（2015年）开始，就断断续续看过不少C++相关的书，可是由于个人的一些坏习惯，却一直都没怎么的用过。以至于学了忘，忘了学。所以呢，现在就想着自己造一下轮子，练练手。折腾了一个上午，也就有了这么一篇文章。

首先，模板是标配，所以就有了下面的定义

template<typename Reference>
class SharedPtr {
};

对于一般的使用场景，我们喜欢是有默认的delete ptr，又可以自定义 deleter。对于默认的deleter，实现起来其实很简单：

template<typename Pointer>
class PointerDeleter {
public:
    void operator()(Pointer pointer) {
        delete pointer;
    }
};

为了支持自定义的 deleter，我们有下面的两种选择：

template<typename Reference>
class SharedPtr { public: SharedPtr(Reference r); template<typename Deleter> SharedPtr(Reference r, Deleter deleter); }; // or template<typename Reference, typename Deleter> class SharedPtr { public: SharedPtr(Reference r); SharedPtr(Reference r, Deleter deleter); };

对于第二种，我们直接添加一个模板参数，这对于实现工作来说，肯定会轻松很多，但是却不易于用户使用。而第一种呢，通过类型推断，对用户会更加的友好。事实上，第一种也是 C++ std 库所选择的方式。于是，这里我选择的是第一种。

接下来是定义 SharedPtr 内部的数据。同样的，有两种选择

template<typename Reference>
class SharedPtr {
private:
    int* refCount;
    Reference reference;
    Deleter?? deleter;    // Oops!!
};

// or

template<typename Reference>
class SharedPtr {
private:
    struct SharedData {
        int refCount;         // not a pointer
        Reference reference;
        Deleter?? deleter;    // Oops!!
    };

    SharedData* mSharedData;
};

既然两种都需要使用指针，那么，其实我们并没有太多理由选择第一种。

此外，这里有一个比较棘手的问题——deleter 的类型该怎么声明？

对于我们的deleter，他就是一个返回值为void，参数为 Reference的一个functor，所以，第一种解法是，利用C++ <functional>中的 std::function：

struct SharedData {
    int refCount;
    Reference reference;
    std::function<void(Reference)> deleter;
};

不仅如此，我们还不需要对构造函数进行模板化：

template<typename Reference>
class SharedPtr {
public:
    SharedPtr(Reference r);
    SharedPtr(Reference r, std::function<void(Reference)> d);
};

但是，现在是在造轮子啊，谁要用你标准库的东西！（话虽然是这么说，但其实，不少地方，其实还是用了的）

为了支持不同类型的 functor,这里我们只能对 SharedData模板化：

template<typename Deleter>
struct SharedData {
    int refCount;
    Reference reference;
    Deleter deleter;
};

然后，我们声明 SharedPtr的成员：

template<typename Reference>
class SharedPtr {
private:
    SharedData<???>* mSharedData;  // my goodness!
};

好吧，这个是最令人头痛的问题了，我们要给mSharedData什么样的模板参数才好啊？

不给。拜托，这又不是Java。

既然我们只是想存一个指针，干脆用 void *。等等，那使用他的时候，要把他cast成什么样的类型好啊？？

指针？这个应该会是个不错的方向。我们现在需要的，是用一个指针，他可以指向很多相似类型的对象。等等，你说很多相似的对象？那不就是继承了吗？父类指针可以指向他的子类，并且，利用虚函数，也可以让删除这个行为根据特定的类型发生变化。

完美！

class SharedData { public: int refCount = 1; Reference reference; virtual ~SharedData() {} }; template<typename Deleter> class SharedDataImpl: public SharedData { public: Deleter deleter; SharedDataImpl(Reference r, Deleter d) : SharedData{r}, deleter{d} {} ~SharedDataImpl() { deleter(SharedData::reference); } };

这里，我们把删除的行为放到了子类里，如此一来，便可以不指定具体的Deleter，同时又可以接受任意类型的deleter。对于成员refCount 和 reference，他们必须放在父类中。因为在SharedPtr里，我们所存储的仅仅是SharedData的指针，所以，如果他们放在子类中，我们将无法访问这两个字段。
同时，虽然子类的名字不太好看，但是，就逻辑上而已，这样的数据分布也是说得通的：既然父类叫 shared data，我们自然可以期望在从他那里得到 the shared data 。而对于子类的存在，仅仅是为了多态地删除资源，所以，把deleter放在子类里，也是很合理的。

下面是完整的代码（copy/move 语义尚未实现）

#ifndef LIBS_UTIL_SHARED_PTR_H_
#define LIBS_UTIL_SHARED_PTR_H_

#define DEBUG_SHARED_PTR

#if defined(DEBUG_SHARED_PTR)
#include <iostream>
#endif



namespace jl_util {


template<typename Reference>
class SharedPtr {
public:
    SharedPtr(Reference r)
        : SharedPtr{r, DefaultDeleter{}} {
    }

    template<typename Deleter>
    SharedPtr(Reference r, Deleter d)
        : mSharedData{new SharedDataImpl<Deleter>{r, d}} {
    }

    ~SharedPtr() {
        if (--mSharedData->refCount == 0) {
            delete mSharedData;
#if defined(DEBUG_SHARED_PTR)
            std::cout << "~SharedPtr(): resource destroyed"
                      << std::endl;
        }
#endif
}


private:
    template<typename Pointer>
    class PointerDeleter {
    public:
        void operator()(Pointer pointer) {
            delete pointer;
        }
    };

    using DefaultDeleter = PointerDeleter<Reference>;

    class SharedData {
    public:
        int refCount = 1;
        Reference reference;

        virtual ~SharedData() {
        }

    protected:
        SharedData(Reference r) : reference{r} {
        }
    };

    template<typename Deleter>
    class SharedDataImpl: public SharedData {
    public:
        Deleter deleter;

        SharedDataImpl(Reference r, Deleter d)
            : SharedData{r}, deleter{d} {
            }

        ~SharedDataImpl() {
            deleter(SharedData::reference);
        }

    };

    SharedData* mSharedData;
};

}
#endif


// *******************************************************
// test

#include <iostream>
using namespace std;

class Tester {
public:
    Tester() {}
    ~Tester() {
        cout << "destroy Tester" << endl;
    }
};

void testDestroy() {
    jl_util::SharedPtr<Tester *> sharedPtr(new Tester);
    jl_util::SharedPtr<Tester *>
        sharedPtr2(new Tester,
                   [](Tester* p) {
                       cout << "deleted Tester" << endl;
                       delete p;
                   });
}

int main() {
    testDestroy();
}

但是，故事并没有到此结束。等我把上面最后一段代码粘上去，我才发现，他不是异常安全的！！好吧，心都碎了，写了那么久，居然在最后关头出了岔子。

其实……也没有那么严重。我们所要做的，就是在分配SharedDataImpl的时候，如果分配失败，就直接回收资源，然后重新抛出异常。

#include <new>

// ...

template<typename Deleter>
SharedPtr(Reference r, Deleter d) try
    : mSharedData{new SharedDataImpl<Deleter>{r, d}} {
} catch (std::bad_alloc) {
    d(r);
    throw;
}
//...

OK，就这样，一个小轮子就造成了。