C++智能指针的作用,模拟实现auto_ptr,scoped_ptr,shared_ptr,scoped_array,shared_array

RAII(Resource Acquisition Is Initialization):

资源分配即初始化,定义封装一个类,用来实现调用构造函数时就可完成资源的分配和初始化,在调用析构函数就可完成资源的清理,以实现对资源的初始化和清理。

智能指针:

用自动化或者说智能的指针来实现对动态内存的释放。

它是一个类,有类似指针的功能。

常见的智能指针有:auto_ptr/scoped_ptr/scoped_array/shared_ptr/shared_array

一、AutoPtr

首先,先介绍AutoPtr,为防止一块空间释放两次浅拷贝导致的崩溃情况,我们的思想是权限转移,就是说你拷贝时要将你的两个指针指向同一块空间,可是这样会程序崩溃。解决如下:

1)老版AutoPtr

主要变量是_ptr,_owner,用bool型的_owner来控制权限转移,当它为false值时释放空间,保证释放一次。

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class AutoPtr
{
public:
    AutoPtr(T* ptr = NULL)
        :_ptr(ptr)
        , _owner(true)
    {}

    AutoPtr(const AutoPtr<T>& ap)
        :_ptr(ap._ptr)
    {
        ap._owner = false;
        _owner = true;
    }

    AutoPtr<T>& operator=(const AutoPtr<T>& ap)
    {
        if (&s != this)
        {
            delete _ptr;
            _ptr = ap._ptr;
            ap._owner = false;
            _owner = true;
        }
        return *this;
    }

    ~AutoPtr()
    {
        if (_ptr)
        {        
            delete _ptr;
            _ptr = NULL;
            _owner = false;
        }
    }

    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }

    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }
private:
    T* _ptr;
    bool _owner;
};

void Test()
{
    AutoPtr<int> ap1(new int(1));
    AutoPtr<int> ap2(ap1);
    AutoPtr<int> ap3 = ap1;
}

int main()
{
    Test();
    system("pause");
    return 0;
}

缺陷:

if(……)
{
     AutoPtr<int> ap2(ap1);
     ……
}

出了作用域后ap2会释放空间还给系统,而ap2仍指向这块空间,会出现野指针。

wKioL1b3owbibxRCAAATFI5Rwkc178.png

2)新版AutoPtr

我们及时将之前的指针置成空,将这块空间的所有权交给现在的指针。


#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class AutoPtr
{
public:
    AutoPtr(T* ptr)
    :_ptr(ptr)
    {}

    AutoPtr()
    :_ptr(NULL)
    {}

    AutoPtr<T>(AutoPtr<T>& ap)    //权限转移
        : _ptr(ap._ptr)
    {
        ap._ptr = NULL;
    }

    AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
    {
        if (&ap != this)
        {
            delete _ptr;
            _ptr = ap._ptr;
            ap._ptr = NULL;     //权限转移
        }
        return *this;
    }

    ~AutoPtr()
    {
        if (_ptr)
        {
            delete _ptr;
            _ptr = NULL;
        }
    }

    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

private:
    T* _ptr;
};

void Test()
{
    AutoPtr<int> ap1(new int(2));
    AutoPtr<int> ap2 = ap1;
    AutoPtr<int> ap3(new int(3));
    ap3 = ap1;
}

int main()
{
    Test();
    system("pause");
    return 0;
}

二、ScopedPtr

这是最实用的智能指针。

顾名思义,守卫的指针,思想就是防拷贝,在大多时候用不到拷贝构造和赋值运算符重载,那么我们做的就是写出构造函数和析构函数,拷贝构造和赋值运算符重载只声明不定义。这里有几点要说明:

(1)鉴于上面,我们写智能指针时,将拷贝构造和赋值运算符重载设置成保护或者私有的,这样就可以保证其他人在不知情的情况下(以为是我们忘记写定义了)无法写拷贝构造和赋值运算符重载的定义。

(2)既然不要定义,那为什么要声明呢,是不是可以不要,或许你们会这样想。不可以!原因是你不写,编译器会自动调用系统自身的拷贝构造和赋值运算符重载,这样就没办法做到防拷贝了。

下面,我们用ScopedPtr来实现简易版本的智能指针。


#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class ScopedPtr
{
public:
    ScopedPtr(T* ptr)
        :_ptr(ptr)
    {}

    Scoped()
        :_ptr(NULL)
    {}

    ~ScopedPtr()
    {
        if (_ptr)
        {
            delete _ptr;
            _ptr = NULL;
        }
    }

    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    T* GetPtr()
    {
        return _ptr;
    }

protected:
    ScopedPtr<T>(const ScopedPtr<T>& sp);
    ScopedPtr<T>& operator = (const ScopedPtr<T>& sp);

private:
    T* _ptr;
};

void Test()
{
    ScopedPtr<int> sp1(new int(2));
    ScopedPtr<int> sp2 = sp1;
    ScopedPtr<int> sp3(new int(3));
    sp3 = sp1;
}

int main()
{
    Test();
    system("pause");
    return 0;
}

三、SharedPtr

共享指针,即思想就是引用计数,引入变量指针变量pCount,指向一块空间,对其计数,当只有一个指针指向空间时再释放资源,实现对其管理。初衷也是解决多个指针指向同一块空间释放多次会崩溃。这里不用static的整型的pCount在于,若有多个指针指向第一块空间,多个指针指向第二块空间,……,当改变一块空间的指向,该块空间的引用计数发生变化了,static的pCount会导致其他空间的引用计数也发生变化。

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class SharedPtr
{
public:
    SharedPtr(T* ptr)
        :_ptr(ptr)
        , _pCount(new long(1))
    {}

    SharedPtr()
        :_ptr(NULL)
        , _pCount(new long(1))
    {}

    SharedPtr<T>(const SharedPtr<T>& sp)
        : _ptr(sp._ptr)
        , _pCount(sp._pCount)
    {
        ++(*_pCount);
    }

    SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
    {
        if (&sp != this)
        {
            if (--(*_pCount) == 0)
            {
                delete _ptr;
                delete _pCount;
            }
            _ptr = sp._ptr;
            _pCount = sp._pCount;
            ++(*_pCount);
        }
        return *this;
    }

    ~SharedPtr()
    {
        if (_ptr)
        {
            if (--(*_pCount) == 0)
            {
                delete _ptr;
                delete _pCount;
            }
        }
    }

    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    long GetCount()
    {
        return *(_pCount);
    }

    T* GetPtr()
    {
        return _ptr;
    }

private:
    T* _ptr;
    long* _pCount;
};


void Test()
{
    SharedPtr<int> sp1 = new int(1);
    SharedPtr<int> sp2 = sp1;
    SharedPtr<int> sp3 = new int(2);
    sp3 = sp1;
}


int main()
{
    Test();
    system("pause");
    return 0;
}

四、ScopedArray

ScopedArray与ScopedPtr区别在于:

ScopedArray管理数组,不可实现访问单个元素,而ScopedArray数组,可实现对数组元素的操控。

#include<iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>


template<class T>
class ScopedArray
{
public:
    ScopedArray(T* ptr = NULL)
        :_ptr(ptr)
    {}

    ~ScopedArray()
    {
        if (_ptr)
        {
            delete [] _ptr;
            _ptr = NULL;
        }
    }

    T& operator[](size_t index)
    {
        assert(index > 0);
        return _ptr[index];
    }
    
protected:
    ScopedArray<T>(const ScopedArray<T>& sp);
    ScopedArray<T>& operator=(const ScopedArray<T>& sp);

private:
    T* _ptr;
};

void Test()
{
    ScopedArray<int> sp1(new int[10]);
}

int main()
{
    Test();
}

五、SharedPtr

同四。

#include<iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>

template<class T>
class SharedArray
{
public:
    SharedArray(T* ptr = NULL)
        :_ptr(ptr)
        , _pCount(new long(1))
    {}

    SharedArray<T>(const SharedArray<T>& sp)
        : _ptr(sp._ptr)
    {
        (*_pCount)++;
    }

    SharedArray<T> operator=(const SharedArray<T>& sp)
    {
        if (&s != this)
        {
            if (--(*pCount) == 0)
            {
                delete _ptr;
                _ptr = sp._ptr;
                (*pCount)++;
            }
        }
        return *this;
    }

    ~SharedArray()
    {
        if (_ptr)
        {
            if (--(*_pCount) == 0)
            {
                delete _ptr;
                delete _pCount;
                _ptr = NULL;
                _pCount = NULL;
            }
        }
    }

    T* operator[](size_t index)
    {
        assert(index);
        return _ptr[index];
    }
private:
    T* _ptr;
    long *_pCount;
};


void Test()
{
    SharedArray<int> sp1(new int[10]);
    SharedArray<int> sp2(sp1);
    SharedArray<int> sp3 = sp1;
}

int main()
{
    Test();
    system("pause");
    return 0;
}
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