【转】 C++易混知识点4: 自己编写一个智能指针(Reference Counting)学习auto_ptr和reference counting

这篇文章建大的介绍了如何编写一个智能指针。

介绍: 
什么是智能指针?答案想必大家都知道,智能指针的目的就是更好的管理好内存和动态分配的资源,智能指针是一个智能的指针,顾名思义,他可以帮助我们管理内存。不必担心内存泄露的问题。实际上,智能指针是一个行为类似于指针的类,通过这个类我们来管理动态内存的分配和销毁。方便客户端的使用。相比于一般指针,智能指针主要体现在它使用的容易和便捷性。

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使用一般指针的问题:

一般情况下我们使用指针的问题是什么?答案是内存管理,简单来看下面的一个例子:
  1. char* pName  = new char[1024];  
  2. SetName(pName);  
  3. if(null != pName)  
  4. {  
  5.        delete[] pName;   
  6. }  
在上面一段代码中,我们会遇到bug呢? 很有可能在分配内存的时候就出错了,有可能在被调用的时候指针误操作了,也有可能在其他地方操作了。答案太多太多了
我们还是从一个实际的例子开始吧,首先看下面的例子:
  1. class Person  
  2. {  
  3.     int age;  
  4.     char* pName;  
  5.     public:  
  6.         Person(): pName(0),age(0){}  
  7.         Person(char* pName, int age): pName(pName), age(age){}  
  8.         ~Person(){}  
  9.   
  10.         void Display()  
  11.         {  
  12.             printf("Name = %s Age = %d \n", pName, age);  
  13.         }  
  14.         void Shout()  
  15.         {  
  16.             printf("Ooooooooooooooooo",);  
  17.         }   
  18. };  
现在,我们开始使用这个类
  1. void main()  
  2. {  
  3.     Person* pPerson  = new Person("Scott", 25);  
  4.     pPerson->Display();  
  5.     delete pPerson;  
  6. }  
我们可以看到,每次我们新建一个person空间,都要对内存释放,否则就有可能造成内存泄露。
那我们能不能想象一下,存在一个类似指针的类来帮助我们管理内存。
  1. template < typename T > class SP  
  2. {  
  3.     private:  
  4.     T*    pData; // Generic pointer to be stored  
  5.     public:  
  6.     SP(T* pValue) : pData(pValue){}  
  7.     ~SP()  
  8.     {  
  9.         delete pData;  
  10.     }  
  11.   
  12.     T& operator* ()  
  13.     {  
  14.         return *pData;  
  15.     }  
  16.   
  17.     T* operator-> ()  
  18.     {  
  19.         return pData;  
  20.     }  
  21. };  
  22.   
  23. void main()  
  24. {  
  25.     SP<PERSON> p(new Person("Scott", 25));  
  26.     p->Display();  
  27.     // Dont need to delete Person pointer..  
  28. }  
通过泛型编程,我们可以使用任何类型的指针,但是上面还不是完美,考虑一下下面的案例
  1. void main()  
  2. {  
  3.     SP<PERSON> p(new Person("Scott", 25));  
  4.     p->Display();  
  5.     {  
  6.         SP<PERSON> q = p;  
  7.         q->Display();  
  8.         // Destructor of Q will be called here..  
  9.     }  
  10.     p->Display();  
  11. }  
我们发现,p和q指向同一个实例,由于SP类没有定义拷贝函数,系统自动生成一个默认的拷贝函数,实现的是浅赋值,该内存空间被释放了两次!
所以,我们引入Reference Counting的智能指针至关重要,通过对实例被引用的次数来决定该实例是否需要被释放。
  1. class RC  
  2. {  
  3.     private:  
  4.     int count; // Reference count  
  5.   
  6.     public:  
  7.     void AddRef()  
  8.     {  
  9.         // Increment the reference count  
  10.         count++;  
  11.     }  
  12.   
  13.     int Release()  
  14.     {  
  15.         // Decrement the reference count and  
  16.         // return the reference count.  
  17.         return --count;  
  18.     }  
  19. };  
现在我们有了一个RC类,这个类只做被引用的次数,唯一的数据成员就是用来跟踪被引用的次数。
结合我们刚才的SP类,我们稍作改动
  1. template < typename T > class SP  
  2. {  
  3. private:  
  4.     T*    pData;       // pointer  
  5.     RC* reference;     // Reference count  
  6.   
  7. public:  
  8.     SP() : pData(0), reference(0)   
  9.     {  
  10.         // Create a new reference   
  11.         reference = new RC();  
  12.         // Increment the reference count  
  13.         reference->AddRef();  
  14.     }  
  15.   
  16.     SP(T* pValue) : pData(pValue), reference(0)  
  17.     {  
  18.         // Create a new reference   
  19.         reference = new RC();  
  20.         // Increment the reference count  
  21.         reference->AddRef();  
  22.     }  
  23.   
  24.     SP(const SP<T>& sp) : pData(sp.pData), reference(sp.reference)  
  25.     {  
  26.         // Copy constructor  
  27.         // Copy the data and reference pointer  
  28.         // and increment the reference count  
  29.         reference->AddRef();  
  30.     }  
  31.   
  32.     ~SP()  
  33.     {  
  34.         // Destructor  
  35.         // Decrement the reference count  
  36.         // if reference become zero delete the data  
  37.         if(reference->Release() == 0)  
  38.         {  
  39.             delete pData;  
  40.             delete reference;  
  41.         }  
  42.     }  
  43.   
  44.     T& operator* ()  
  45.     {  
  46.         return *pData;  
  47.     }  
  48.   
  49.     T* operator-> ()  
  50.     {  
  51.         return pData;  
  52.     }  
  53.       
  54.     SP<T>& operator = (const SP<T>& sp)  
  55.     {  
  56.         // Assignment operator  
  57.         if (this != &sp) // Avoid self assignment  
  58.         {  
  59.             // Decrement the old reference count  
  60.             // if reference become zero delete the old data  
  61.             if(reference->Release() == 0)  
  62.             {  
  63.                 delete pData;  
  64.                 delete reference;  
  65.             }  
  66.   
  67.             // Copy the data and reference pointer  
  68.             // and increment the reference count  
  69.             pData = sp.pData;  
  70.             reference = sp.reference;  
  71.             reference->AddRef();  
  72.         }  
  73.         return *this;  
  74.     }  
  75. };  
接下来我们看下客户端调用情况
  1. void main()  
  2. {  
  3.     SP<PERSON> p(new Person("Scott", 25));  
  4.     p->Display();  
  5.     {  
  6.         SP<PERSON> q = p;  
  7.         q->Display();  
  8.         // Destructor of q will be called here..  
  9.   
  10.         SP<PERSON> r;  
  11.         r = p;  
  12.         r->Display();  
  13.         // Destructor of r will be called here..  
  14.     }  
  15.     p->Display();  
  16.     // Destructor of p will be called here   
  17.     // and person pointer will be deleted  
  18. }  

接下来,我们着重分析下上面的调用情况:

1. SP<PERSON> p(new Person("Scott",25));
当我们创建一个新的智能指针的时候,他的参数类型为Person, 参数为一个Person的普通指针, 智能指针p中的情况是
构造函数被调用,pData 复制新创建的person指针, 同时新建一个RC成员,同时RC调用addReference()函数, reference.count =1 ;
2. SP<PERSON> q = p;
接下来,我们有定义了一个新的SP智能指针q, 调用SP类的拷贝构造函数,q的pData同样复制p的pData的值,q的reference拷贝p的reference值
同时,我们发现,q的reference.count加1, 现在 q的reference.count =2;
3. SP<PERSON> r; r = p;
接下来,我们创建一个新的空的智能指针r,并调用assigne operator 赋值函数初始化,同样,由于r != p, 所以原来的r的空间会被释放, 然后将p的空间复制给r。
这个时候r的pData同样指向Person实例的地址,p的reference复制p的reference,并且对reference加1.   现在 r的reference.count =3.

4. 由于 r,q 生命域到达,rq 的析构函数先后被调用。
r首先被析构, 会对reference.count减一,等于2,发现还没到0, 所以不会释放 pdata 和 reference
q其次被析构,会对reference.count减一,等于1,发现还没到0, 所以不会释放 pdata 和 reference

5. p的生命域到达,p调用析构函数
p最后被析构,会对reference.count减一,等于0,发现到0, 所以释放 pdata 和 reference。 此时pdata 就是一开始新创建的Person空间,所以person会被释放,同时Reference也会被释放。

总结:
整个过程中,我们只创建了一次Person实例和Reference实例, 但最多有三个智能指针同时指向他们,通过对实例的被引用次数记录,来“智能”的判断什么时候释放真正的内存空间。

posted on 2015-04-03 13:09  温柔的机械猫  阅读(277)  评论(0编辑  收藏  举报

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