C++ 拷贝控制和资源管理，智能指针的简单实现

C++ 关于拷贝控制和资源管理部分的笔记，并且介绍了部分C++ 智能指针的概念，然后实现了一个基于引用计数的智能指针。关于C++智能指针部分，后面会有专门的研究。

• 通常，管理类外资源的类必须定义拷贝控制成员。为了定义这些成员，我们首先必须确定此对象的拷贝语义。一般来讲，有两种选择：

  • 使类的行为看起来像一个值

      类的行为像一个值：意味着它有自己的状态。当我们拷贝一个像值的对象时，副本和原对象是完全对立的。改变副本不会对对原对象有任何影响。反之亦然。
    

  • 使类的行为看起来像一个指针

      行为像指针的类则共享状态。当我们拷贝一个这种类的对象时，副本和原对象使用相同的底层数据。改变副本也会改变原对象，反之亦然。
    

• 行为像值的类

  • 为了提供类值的行为，对于类管理的资源，每个对象应该都拥有一份自己的拷贝。
  • 类值拷贝赋值运算符

    • 通常组合了析构函数和构造函数的操作。类似析构函数，赋值操作会销毁左侧运算对象的资源。类似构造函数，赋值操作会从右侧运算对象拷贝数据。

    • 编写赋值运算符时，有两点需要注意：

        1. 如果将一个对象赋予它自身，赋值运算符必须能正确工作
        2. 大多数赋值运算符组合了析构函数和拷贝构造函数的工作
      

    • 当编写一个赋值运算符时，一个好的方法是先将右侧运算对象拷贝到一个局部临时对象中，然后再销毁左侧运算对象就是安全的了。

• 定义行为像指针的类

  • 引用计数

      引用计数的工作方式如下：
      1. 除了初始化对象之外，每个构造函数(拷贝构造函数除外)还要创建一个引用计数，用来记录有多少对象正在与创建的对象共享状态。当我们创建一个对象时，只有一个对象共享状态，因此计数器初始化为1。
      2. 拷贝构造函数不分配新的计数器，而是拷贝给定对象的数据成员，包括计数器。拷贝构造函数递增共享的计数器，指出给定对象的状态又被一个新用户共享。
      3. 析构函数递减计数器，指出共享状态的用户少了一个。如果计数器变为0，则析构函数释放状态。
      4. 拷贝赋值运算符递增右侧运算对象的计数器，递减左侧运算对象的计数器。如果左侧运算对象的计数器变为0，意味着它的共享状态没有用户了，拷贝赋值运算符就必须销毁状态。
    

  • 引用计数的存放位置：一种方法只保存在动态内存中。当创建一个对象时，我们也分配一个计数器。当拷贝或赋值对象时，我们拷贝指向计时器的指针。使用这种方法，副本和原对象都会指向相同的计数器。

• 下面给出一个基于引用计数的共享智能指针的实现。

  #include<iostream>
  using namespace std;
  
  template<class T>
  class SmartPtr{
  public:
      //构造函数
      SmartPtr(T *sp = NULL)
  	    :m_ptr(sp), use_count(new std::size_t(1)){}
  
      //拷贝构造函数
      SmartPtr(const SmartPtr<T> &ref){
          if (this != &ref){
              m_ptr = ref.m_ptr;
              use_count = ref.use_count;
              ++*use_count;
          }
      }
  
      //拷贝赋值运算符
      SmartPtr& operator=(const SmartPtr<T> &ref){
          if (this == &ref)   //处理自赋值情况
              return *this;
  
          //判断原use_count是否为0
          --*use_count;
          if (*use_count == 0){
              delete m_ptr;
              delete use_count;
              m_ptr = NULL;
              use_count = NULL;
              cout << "operator= delete" << endl;
          }
  
  	    m_ptr = ref.m_ptr;
  	    use_count = ref.use_count;
  	    ++*use_count;
      }
  
      //析构函数
      ~SmartPtr(){
          --*use_count;
          if (*use_count == 0){
              delete m_ptr;
              delete use_count;
              m_ptr = NULL;
              use_count = NULL;
              cout << "~SmartPtr()  and delete" << endl;
          }
  	    else
  	        cout << "~SmartPtr()  use_count:" << *use_count <<endl;
      }
  
      T * get(){
          return m_ptr;
      }
  
      std::size_t getUse_count(){
          return *use_count;
      }
  private:
      //基础对象指针
      T *m_ptr;
      std::size_t *use_count;
  };
  
  class Test{
  public:
      Test(int a, char b) :_a(a), _b(b){}
      void print(){
  	    cout << _a << " " << _b << " ";
      }
  private:
      int _a;
      char _b;
  };
  
  int main(){
  	//内置数据类型测试
      cout << "内置数据类型测试" << endl;
      SmartPtr<int> sp1(new int(5));  //默认构造函数
      cout << *sp1.get() << "  " << sp1.getUse_count() << endl;
  
      SmartPtr<int> sp2(sp1);  //拷贝构造函数
      cout << *sp2.get() << "  " << sp2.getUse_count() << endl;
  
      SmartPtr<int> sp3;
      sp3 = sp1;          //拷贝赋值运算符
      cout << *sp3.get() << "  " << sp3.getUse_count() << endl;
  
      sp3 = sp3;    //自赋值情况
      cout << *sp3.get() << "  " << sp3.getUse_count() << endl;
  
      //自定义数据类型测试
      cout << endl << endl << "自定义数据类型测试" << endl;
      SmartPtr<Test> tp1(new Test(10, 'c'));  //默认构造函数
      (tp1.get())->print();
      cout << tp1.getUse_count() << endl;
  
      SmartPtr<Test> tp2(tp1);   //拷贝构造函数
      (tp2.get())->print();
      cout << tp2.getUse_count() << endl;
  
      SmartPtr<Test> tp3;
      tp3 = tp1;              //拷贝赋值运算符
      (tp3.get())->print();
      cout << tp3.getUse_count() << endl;
  
      tp3 = tp3;   //自赋值情况
      (tp3.get())->print();
      cout << tp3.getUse_count() << endl;
  
      cout << endl << endl <<  "析构函数" << endl;
      return 0;
  }
  

• 程序运行结果如下：