[C++]智能指针的实现与使用

智能指针

智能指针是当我们在使用对象时，有时会把对象的内存分配在堆上忘记释放，导致内存泄露，并且当多个指针共享同一个对象的内存时，容易出现重复释放内存，导致错误。

我们针对所需要共享的对象，手动完成一个智能指针类来代替该类别的指针，自动帮我们释放内存，共享内存。以一个共享Object类的对象数据来说明两个版本的共享指针的实现。

class Object {
public:
    int a;
    int b;
};

基本版本的智能指针

以下为一个最简单版本的智能指针，利用自动调用析构函数来调用delete函数，释放内存。但该智能指针不能实现引用计数来共享内存，只能帮我们管理单个对象内存的自动释放。

/* version1 of smartpointer*/
class SmartPointer {
public:
    SmartPointer(Object* p) {
        cout<<"get pointer"<<endl;
        ptr = p;
    }
    ~SmartPointer() {
        cout<<"free memory"<<endl;
        delete ptr;
    }
private:
    Object *ptr;
};

void process(SmartPointer &p) {
    //void process(SmartPointer &p) {
    cout<<"processing..."<<endl;
}

使用方法

int main() {
	SmartPointer P(new Object);
	process(p);
	return 0;
}

增加版本的智能指针

当多个智能指针指向同一段内存时， 我们需要加强我们的智能指针的功能：

• 引用计数：记录当前有多少个指针指向共享对象
• 当引用计数为0时，释放共享对象内存
• 构造函数与赋值构造函数的实现
• 箭头运算符->与解引用运算符*的重载

为了更加智能的管理引用计数与共享内存，我们实现Counter类帮我们的智能指针管理。指向同一个共享对象的智能指针共享同一个Counter对象。关系如下：

class Counter {
    // SmartPointerPro设置为友元，否则smartpointerpro内部不能访问私有成员cnt与ptr
    friend class SmartPointerPro;
public:
    Counter() {
        ptr = NULL;
        cnt = 0;
    }
    Counter(Object *p) {
        ptr = p;
        cnt = 1;
    }
    ~Counter() {
        delete ptr;
    }
private:
    Object *ptr;
    int cnt;
};

下面是增加版本智能指针的实现

/* version2 of smartpointer: need a counter class to count shared times*/
class SmartPointerPro {
public:
    // 当对像传入时，需要初始化一个counter来记录该对象共享次数
    SmartPointerPro(Object *p) {
        ptr_counter = new Counter(p);
    }
    // 用一个smartpointer来初始化另一个smartpointer，counter中共享次数+1
    SmartPointerPro(const SmartPointerPro &sp) {
        ptr_counter = sp.ptr_counter;
        ++ptr_counter->cnt;
    }
    // 相互赋值时：等号左边的对象被覆盖,cnt减一，等号右边对象共享次数加一
    SmartPointerPro& operator=(const SmartPointerPro &sp) {
        ++sp.ptr_counter->cnt;
        --ptr_counter->cnt;
        if (ptr_counter->cnt == 0) {
            delete ptr_counter;
        }
        ptr_counter = sp.ptr_counter;
    }
    ~SmartPointerPro() {
        --ptr_counter->cnt;
        if (ptr_counter->cnt == 0) {
            delete ptr_counter;
        }
    }
    Object *operator->() {
        return ptr_counter->ptr;
    }
    // 返回值为引用型，说明解引用后直接可以调用其它操作
    Object &operator*() {
        return *(ptr_counter->ptr);
    }
private:
    Counter *ptr_counter;
};

增加版智能指针使用方法

int main() {
    SmartPointerPro p(new Object());
    p->a = 10;
    p->b = 20;
    int a_val = (*p).a;
    int b_val = (*p).b;
    cout<<"p->a, p->b, a_val, b_val: "
        <<p->a<<" "<<p->b<<" "<<a_val<<" "<<b_val<<" "<<endl;
    SmartPointerPro q(p);
    cout<<"q->a, q->b: "<<q->a<<" "<<q->b<<endl;
    return 0;
}

系统实现的智能指针

以上增加版本的智能指针看起来很好用，但是每次使用都需要先定义SmartPointerPro与Counter类，那么有没有系统库可以调用呢？答案是肯定的，但是需要我们先安装boost库。安装之后，

#include <boost::shared_ptr>

就可以使用系统实现的智能指针了，系统版本实现原理与我们增加版本智能指针原理基本相同。具体使用方法参考

参考

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