auto_ptr

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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一、剖析C++标准库智能指针(std::auto_ptr)

1.Do you Smart Pointer?

Smart Pointer,中文名：智能指针, 舶来品? 
不可否认,资源泄露(resource leak)曾经是C++程序的一大噩梦.垃圾回收 
机制(Garbage Collection)一时颇受注目.然而垃圾自动回收机制并不能 
满足内存管理的即时性和可视性,往往使高傲的程序设计者感到不自在. 
况且,C++实现没有引入这种机制.在探索中,C++程序员创造了锋利的 
"Smart Pointer".一定程度上,解决了资源泄露问题.

也许,经常的,你会写这样的代码： 
//x拟为class: 
// class x{ 
// public: 
// int m_Idata; 
// public: 
// x(int m_PARAMin):m_Idata(m_PARAMin){} 
// void print(){ cout<<m_Idata<<endl; } 
// ..... 
// } 
void fook(){ 
x* m_PTRx = new x(m_PARAMin); 
m_PTRx->DoSomething(); //#2 
delete m_PTRx; 
}

是的,这里可能没什么问题.可在复杂、N行、m_PTRclassobj所指对象生命周 
期要求较长的情况下,你能保证你不会忘记delete m_PTRclassobj吗?生活中, 
我们往往不应该有太多的口头保证,我们需要做些真正有用的东西.还有一个 
更敏感的问题：异常.假如在#2方法执行期异常发生,函数执行终止,那么new 
出的对象就会泄露.于是,你可能会说：那么就捕获异常来保证安全性好了. 
你写这样的程式：

void fook(){ 
x* m_PTRx = new x(m_PARAMin); 
try{ 
m_PTRx->DoSomething(); 
catch(..){ 
delete m_PTRx; 
throw; 
} 
delete m_PTRx; 
} 
哦!天哪!想象一下,你的系统,是否会象专为捕获异常而设计的.

一天,有人给你建议:"用Smart Pointer,那很安全.".你可以这样重写你的程序：

void fook(){ 
auto_ptr<x> m_SMPTRx(new x(m_PARAMin)); 
m_SMPTRx->DoSomething(); 
}

OK!你不太相信.不用delete吗? 
是的.不用整天提心吊胆的问自己:"我全部delete了吗?",而且比你的delete 
策略更安全. 
然后,还有人告诉你,可以这样用呢： 
ok1. 
auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin)); 
auto_ptr<x> m_SMPTR2(m_SMPTR1); //#2 
May be you can code #2 like this : 
auto_ptr<x> m_SMPTR2; 
m_SMPTR2 = m_SMPTR1; 
ok2. 
auto_ptr<int> m_SMPTR1(new int(32));

ok3. 
auto_ptr<int> m_SMPTR1; 
m_SMPTR1 = auto_ptr<int>(new int(100)); 
也可以： 
auto_ptr<int> m_SMPTR1(auto_ptr<int>(new int(100)));

ok4. 
auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin)); 
m_SMPTR1.reset(new x(m_PARAMin1));

ok5. 
auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin)); 
auto_ptr<x> m_SMPTR2(m_SMPTR.release()); 
cout<<(*m_SMPTR2).m_Idata<<endl;

ok6. 
auto_ptr<int> fook(){ 
return auto<int>(new int(100)); 
}

ok7.............and so on 
但不可这样用：

no1. 
char* chrarray = new char[100]; 
strcpy(chrarray,"I am programming."); 
auto_ptr<char*> m_SMPTRchrptr(chrarray); 
//auto_ptr并不可帮你管理数组资源

no2. 
vector<auto_ptr<x>> m_VECsmptr; 
m_VECsmptr.push_back(auto_ptr<int>(new int(100))); 
//auto_ptr并不适合STL内容. 
no3. 
const auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100)); 
auto_ptr<x> m_SMPTR(new x(200));

no4. 
x m_OBJx(300); 
auto_ptr<x> m_SMPTR(&m_OBJx); 
no5 
x* m_PTR = new x(100); 
auto_ptr<x> m_SMPTR = m_pTR; 
no6..........and so on

预先提及所有权的问题,以便下面带着疑问剖析代码?

power1. 
auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100)); 
auto_ptr<x> m_SMPTR2 = m_SMPTR1; 
m_SMPTR2->print(); 
//输出：100. 
m_SMPTR1->print(); 
//!! 非法的. 
power2. 
auto_ptr<x> m_SMPTR(new x(100)); 
auto_ptr<x> returnfun(auto_ptr<x> m_SMPTRin){ 
return m_SMPTRin; 
}

auto_ptr<x> = returnfun(m_SMPTR); //#5 
//在上面的#5中,我要告诉你对象所有权转移了两次. 
//什么叫对象所有权呢?

2. std::auto_ptr的设计原理 
上面的一片正确用法,它们在干些什么? 
一片非法,它们犯了什么罪? 
一片什么所有权转移,它的内部机智是什么? 
哦!一头雾水?下面我们就来剖析其实现机制. 
基础知识： 
a.智能指针的关键技术：在于构造栈上对象的生命期控制 
堆上构造的对象的生命期.因为在智能指针的内部,存储 
着堆对象的指针,而且在构析函数中调用delete行为. 
大致机构如下： 
x* m_PTRx = new x(100);//#1 
template<typename T> 
auto_ptr{ 
private: 
T* m_PTR;//维护指向堆对象的指针,在auto_ptr定位后 
.... //它应该指向#1构造的对象,即拥有所有权. 
~auto(){ delete m_PTR; } 
.... 
} 
b.所有权转移之说 
上面曾有一非法的程式片段如下： 
auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100)); 
auto_ptr<x> m_SMPTR2 = m_SMPTR1; 
m_SMPTR2->print(); 
//输出：100. 
m_SMPTR1->print(); 
//!! 非法的. 
按常理来说,m_SMPTR->print();怎么是非法的呢? 
那是因为本来,m_SMPTR1维护指向new x(100)的指针, 
可是m_SMPTR2 = m_SMPTR1;auto_ptr内部机制使得m_SMPTR1将对象的地址 
传给m_SMPTR2,而将自己的对象指针置为0. 
那么自然m_SMPTR->print();失败. 
这里程序设计者要负明显的职责的. 
那么auto_ptr为什么采取这样的策略：保证所有权的单一性. 
亦保证了系统安全性. 
如果多个有全权的auto_ptr维护一个对象,那么在你消除一个 
auto_ptr时,将导致多个auto_ptr的潜在危险. O%KP,q &}Y 
//---------------------------------------------------------------------------- 
智能指针 2:

下面我们以SGI-STL的auto_ptr设计为样本(去掉了无关分析的宏),来剖析其原理. 
#1 template <class _Tp> class auto_ptr { 
#2 private: 
#3 _Tp* _M_ptr; //定义将维护堆对象的指针

#4 public: 
#5 typedef _Tp element_type; //相关类型定义 
#6 explicit auto_ptr(_Tp* __p = 0) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__p) {} 
#7 auto_ptr(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__a.release()) {} 
#8 template <class _Tp1> auto_ptr(auto_ptr<_Tp1>& __a) __STL_NOTHROW 
: _M_ptr(__a.release()) {} 
//#6、#7、#8是auto_ptr构造函数的三个版本. 
//#6注释：传入对象的指针,构造auto_ptr.explicit关键字:禁止隐式转换. 
// 这就是ok2正确,而no5(隐式转换)错误的原因. 
//#7注释：拷贝构造函数. 
// 传入auto_ptr实例,构造auto_ptr. ok1、ok3使用了这个构造式. 
// 它是一个很关键的构造函数,在具体情况下,我们再分析 
//#8注释：auto_ptr的模板成员,可在继承对象重载的基础上,实现特殊功能. 
// 
// 举例： 
// class A{ public: 
// virtual void fook(){cout<<"I am programming"<<endl; 
// /*..........*/ }; 
// class B : public A { 
// virtual void fook(){ cout<<"I am working"<<endl; 
// /*...........*/ }; 
// auto_ptr<A> m_SMPTRa(new A(33));//实质： 
// auto_ptr<B> m_SMPTRb(m_SMPTRa); //基类的指针可以赋给派生类的指针 
// 
// auto_ptr<B> m_SMPTRb(new B(44));//实质： 
// auto_ptr<A> m_SMPTRa(m_SMPTRb); //派生类的指针不可赋给基类的指针 
// 
// auto_ptr<A> m_SMPTRa(new B(33)); // ok! 
// m_SMPTRa->fook()将调用派生类B的fook() 
// m_SMPTRa->A::fook()将调用基类A的fook() 
// 
// auto_ptr<B> m_SMPTRb(new A(33)); // wrong! 
// 
// 
#9 auto_ptr& operator=(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW { 
#10 if (&__a != this) { delete _M_ptr; _M_ptr = __a.release(); } 
#11 return *this; 
#12 }

#13 template <class _Tp1> 
#14 auto_ptr& operator=(auto_ptr<_Tp1>& __a) __STL_NOTHROW { 
#15 if (__a.get() != this->get()) { delete _M_ptr; _M_ptr = __a.release(); } 
#16 return *this; 
#16 } 
// 
// #9~~#16 两个版本的指派函数. 
// delete _M_ptr; 在指派前,销毁原维护的对象. 
// _a.release() ; release操作,详细代码参见#20~~#23. 
// 用于*this获得被指派对象, 
// 且将原维护auto_ptr置空. 
// no3使用了第一种指派. 
// 而权限转移正是_a.release()的结果.

#17 ~auto_ptr() __STL_NOTHROW { delete _M_ptr; } 
//构析函数.消除对象.注意这里对对象的要求!

#17 _Tp& operator*() const __STL_NOTHROW { return *_M_ptr; } 
#18 _Tp* operator->() const __STL_NOTHROW { return _M_ptr; } 
#19 _Tp* get() const __STL_NOTHROW { return _M_ptr; } 
// 
// 操作符重载. 
// #17注释：提领操作(dereference),获得对象. 见ok5用法. 
// #18注释：成员运算符重载,返回对象指针. 
// #19注释：普通成员函数.作用同于重载->运算符 
// 
#20 _Tp* release() __STL_NOTHROW { 
#21 _Tp* __tmp = _M_ptr; 
#22 _M_ptr = 0; 
#23 return __tmp; } 
//上面已经详解

#24 void reset(_Tp* __p = 0) __STL_NOTHROW { 
#25 delete _M_ptr; 
#26 _M_ptr = __p; } 
// 
//传入对象指针,改变auto_ptr维护的对象 
// 且迫使auto_ptr消除原来维护的对象 
// 见ok3用法.

// According to the C++ standard, these conversions are required. Most 
// present-day compilers, however, do not enforce that requirement---and, 
// in fact, most present-day compilers do not support the language 
// features that these conversions rely on.

//下面这片段用于类型转化,目前没有任何编译器支持 
//具体技术细节不诉.

#ifdef __SGI_STL_USE_AUTO_PTR_CONVERSIONS

#27 private: 
#28 template<class _Tp1> 
#29 struct auto_ptr_ref { _Tp1* _M_ptr; auto_ptr_ref(_Tp1* __p) : _M_ptr(__p) {} 
};

#30 public: 
#31 auto_ptr(auto_ptr_ref<_Tp> __ref) __STL_NOTHROW 
: _M_ptr(__ref._M_ptr) {} 
#32 template <class _Tp1> 
#33 operator auto_ptr_ref<_Tp1>() __STL_NOTHROW 
#34 { return auto_ptr_ref<_Tp>(this->release()); } 
#35 template <class _Tp1> operator auto_ptr<_Tp1>() __STL_NOTHROW 
#36 { return auto_ptr<_Tp1>(this->release()); } 
#37 #endif /* __SGI_STL_USE_AUTO_PTR_CONVERSIONS */ 
#38 };

OK!就是这样了. 
正如上面原理介绍处叙说, 
你需要正视两大特性： 
1.构造栈对象的生命期控制堆上构造的对象的生命期 
2.通过release来保证auto_ptr对对象的独权. 
在我们对源码分析的基础上,重点看看： 
no系列错误在何处? 
no1. 
我们看到构析函数template<class _Tp> 
~auto_ptr() _STL_NOTHROW 
{ delete _M_ptr; } 
所以它不能维护数组, 
维护数组需要操作：delete[] _M_ptr; 
先提部分vector和auto_ptr代码： 
a.提auto_ptr代码

auto_ptr(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__a.release()) {}

b.提vector代码

Part1: 
void push_back(const _Tp& __x) { 
if (_M_finish != _M_end_of_storage) { 
construct(_M_finish, __x); 
++_M_finish; 
} 
else 
_M_insert_aux(end(), __x); 
}

Part2: 
template <class _T1, class _T2> 
inline void construct(_T1* __p, 
//++++++++++++++++++++++++++++++++ 
// const _T2& __value) { + 
//++++++++++++++++++++++++++++++++ 
// new (__p) _T1(__value); + 
//++++++++++++++++++++++++++++++++

}

Part3. 
template <class _Tp, class _Alloc> 
void 
vector<_Tp, _Alloc>::_M_insert_aux 
(iterator __position,

//++++++++++++++++++++++++++++++++ 
// const _Tp& __x) ++ 
//++++++++++++++++++++++++++++++++

{ 
if (_M_finish != _M_end_of_storage) { 
construct(_M_finish, *(_M_finish - 1)); 
++_M_finish;

//++++++++++++++++++++++++++++++++ 
// _Tp __x_copy = __x; + 
//++++++++++++++++++++++++++++++++

copy_backward(__position, _M_finish - 2, _M_finish - 1); 
*__position = __x_copy; 
} 
else { 
const size_type __old_size = size(); 
const size_type __len = __old_size != 0 ? 2 * __old_size : 1; 
iterator __new_start = _M_allocate(__len); 
iterator __new_finish = __new_start; 
__STL_TRY { 
__new_finish = uninitialized_copy 
(_M_start, __position, __new_start); 
construct(__new_finish, __x); 
++__new_finish; 
__new_finish = uninitialized_copy 
(__position, _M_finish, __new_finish); 
} 
__STL_UNWIND((destroy(__new_start,__new_finish), 
_M_deallocate(__new_start,__len))); 
destroy(begin(), end()); 
_M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start); 
_M_start = __new_start; 
_M_finish = __new_finish; 
_M_end_of_storage = __new_start + __len; 
} 
}

//---------------------------------------------------------------------------- 
智能指针 3:

从提取的vector代码,Part1可看出,push_back的操作行为. 
兵分两路,可是再向下看,你会发现,无一例外,都 
通过const _Tp& 进行拷贝行为,那么从auto_ptr提出的片段就 
派上用场了. 
可你知道的,auto_ptr总是坚持对对象的独权.那必须修改 
原来维护的对象,而vector行为要求const _Tp&,这样自然会产生 
问题.一般编译器是可以发觉这种错误的.

其实,STL所有的容器类都采用const _Tp&策略. 
//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 
+ 看了sutter和Josuttis的两篇文章中,都提及： + 
+ STL容器不支持auto_ptr原因在于copy的对象只是获得所有权的对象, + 
+ 这种对象不符合STL的要求.可是本人总感觉即时不是真正的复制对象,+ 
+ 但我用vector<auto_ptr<x> >的目的就在于维护对象,并不在乎 + 
+ 所谓的完全对象.而且我用自己写的Smart Pointer配合STL容器工作, + 
+ 很正常.那需要注意的仅仅是const问题. + 
+ + 
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

no3. 
这个也是auto_ptr隐含的所有权问题引起的. 
const auto_ptr不允许修改. 
随便提及：const对象不代表对象一点不可以改变. 
在两种const语义下,都有方法修改对象或对象内部指针维护的对象 
或其它资源. 
no4. 
再看auto_ptr的构析函数. 
delete不可以消除栈上资源.

no5. 
依赖传入对象指针的构造函数被声明为explicit,禁止隐式转换.

3.auto_ptr高级使用指南

a.类成员auto_ptr,禁止构造函数以构建"完全对象" 
Programme1: 
struct Structx{ 
int m_Idata; 
char m_CHRdata; 
/* and so on */ 
}; 
出于对象编程的理念, 
我们将Structx打造成包裹类： 
class StructWrapper{ 
private: 
Structx* m_STRTxptr; 
public: 
StructWrapper():m_STRTxptr(new Structx){} 
~StructWrapper(){delete m_SMRTxptr; } 
public: 
void Soperator1(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} 
void Soperator2(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} 
/* and so on */ 
};

Programme2: 
class StructWrapper{ 
private: 
auto_ptr<Structx> m_SMPTRx; 
public: 
StructWrapper():m_SMPTRAx(new Structx){} 
public: 
void Soperator1(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} 
void Soperator2(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} 
/* and so on */ 
};

Programme3: 
StructWrapper::StructWrapper(const StructWrapper& other) 
: M_SMPTRx(new Struct(*other.m_SMPTRx)) { } 
StructWrapper& StructWrapper::operator=(const StructWrapper &other){ 
*m_SMPTRx = *other.m_SMPTRx; 
}; 
处于对构建于堆中的对象(new Structx)智能维护的需要. 
我们将programme1改造为programme2： 
不错,对象是可以智能维护了. 
对于包裹类(StructWrapper)你是否会有这样的构造或指派操作： 
StructWrapper m_SMPTRWrapper2(m_SMPTRWrapper1); 
StructWrapper mSMPTRWrapper2 = m_SMPTRWrapper1; 
那么请注意： 
当你坦然的来一个：M_SMPTRWrapper1->Soperator1();的时候, 
系统崩溃了. 
不必惊讶,所有权还是所有权问题. 
问一下自己：当programme2默认拷贝构造函数作用时,又调用了auto_ptr的 
默认构造函数,那么auto_ptr所有的默认行为都遵循独权策略.对,就这样. 
m_SMPTRWrapper1的对象所有权转移给了m_SMPTRWrapper2. 
M_SMPTRWrapper1->Soperator1();那么操作变成了在NULL上的. 
哦!系统不崩溃才怪. 
那么你需要想,programme3那样利用auto_ptr的提领操作符自己的 
构造"完全对象".

b.利用const关键字,防止不经意的权限转移

从上面的叙述,你可看出,所有权转移到处可以酿成大祸. 
而对于一般应用来说,独权又是很好的安全性策略. 
那么我们就用const来修饰auto_ptr,禁止不经意的错误.

当然上面提及：并不代表auto_ptr是不可修改的. 
处于需要,从两种const语义,你都可实现修改.

然,你还希望在函数传入传出auto_ptr那么你可传递auto_ptr的引用, 
那就万无一失了: void fook(const auto_ptr<x>& m_PARAMin); 
在返回后赋予其它时,使用引用是不行的.你得用指针. 
因为引用无论作为lvalue还是rvaluev,都会调用构造或指派函数.

4.你是否觉得std::auto_ptr还不够完美 
在实践中,std::auto_ptr能满足你的需求吗? 
Andrei Alexandrescu在一篇文章中,提及：有关Smart Pointer的技术就像 
巫术.Smart Pointer作为C++垃圾回收机制的核心,它必须足够强大的、具有工业强度和安全性. 
但为了可一劳永逸我们还需要披荆斩棘继续探索.

下面在需求层面上,我们思索一下我们的智能指针还需要些什么? 
a. std::auto_ptr 能够处理数组吗?我们可以用智能指针来管理其它的资源吗? 
譬如一个线程句柄、一个文件句柄 and so on ! 
b. 对于我们的对象真的永远实行独权政策吗? 
c. Our 智能指针还需要在继承和虚拟层面上发挥威力 ! 
d. 往往,需要扩展Our 智能指针的功能成员函数来满足动态的需要 ! 
e. 也许,你需要的还很多.