C++ 智能指针

长平狐 发布于 2013/01/06 11:20
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智能指针Smart Pointer),是一个来用存储指向动态分配(堆)对象指针的类。简单的说,它本身是一个类,这个类是用来存储对象指针。


一、智能指针的介绍

智能指针,就是具备指针功能同时提供安全内存回收的一个类。是用一个对象来对指针进行建模,使之具有指针的特性,跟指针具有相同含义的 -> 和 * 操作.并且通过对象的构造函数(获取资源),析构资源(释放资源)来对资源进行管理,从而减少程序员对通过new操作获取到的对象的生命周期进行管理的负担。

除了能够在适当的时间自动删除指向的对象外,他们的工作机制很像C++的内置指针。智能指针在面对异常的时候格外有用,因为他们能够确保正确的销毁动态分配的对象,他们也可以用于跟踪被多用户共享的动态分配对象。

事实上,智能指针能够做的还有很多事情,例如处理线程安全,提供写时复制,确保协议,并且提供远程交互服务。有能够为这些ESP (Extremely Smart Pointers)创建一般智能指针的方法,但是并没有涵盖进来。智能指针的大部分使用是用于生存期控制,阶段控制。它们使用operator->和operator*来生成原始指针,这样智能指针看上去就像一个普通指针。




二、智能指针的原理
, 当类中有指针成员时,一般有两种方式来管理指针成员:
1)采用值型的方式管理,每个类对象都保留一份指针指向的对象的拷贝;
2)更优雅的方式是使用智能指针,从而实现指针指向的对象的共享。
智能指针的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联,引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针,具体实现步骤如下:
1)每次创建类的新对象时,初始化指针并将引用计数置为1;
2)当对象作为另一对象的副本而创建时, 拷贝构造函数 拷贝指针并增加与之相应的引用计数(加1);
3)对一个对象进行赋值时,赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数(减1,如果引用计数为减至0,则删除对象),并增加右操作数所指对象的引用计数(加1);
4)调用析构函数时,析构函数减少引用计数(减1,如果引用计数减至0,则删除基础对象)。



三、 智能指针的特点
指针可以分为泛型指针,原生指针、智能指针,它们的含义和区别如下:
1. 泛型指针
泛型指针,是指数据类型不确定的指针,它有多种含义:
(1) 指void*指针,可以指向任意数据类型,因此具有“泛型”含义。
(2) 指具有指针特性的泛型数据结构,包含泛型的迭代器、智能指针等。
广义的迭代器是一种不透明指针,能够实现遍历访问操作。通常所说的迭代器是指狭义的迭代器,即基于C++的STL中基于泛型的iterator_traits实现的类的实例。
总体来说,泛型指针和迭代器是两个不同的概念,其中的交集则是通常提到的迭代器类。
 
  
2. 原生指针
原生指针,就是普通指针,与它相对的是使用起来行为上像指针,但却不是指针。
说“原生”是指“最简朴最基本的那一种”。因为现在很多东西都抽象化理论化了,所以“以前的那种最简朴最基本的指针”只是一个抽象概念(比如iterator)的表现形式之一。
 
  
3. 智能指针
智能指针,是C++里面的概念,由于 C++ 语言没有自动内存回收机制,程序员每次得自己处理内存相关问题,但用智能指针便可以有效缓解这类问题,引入智能指针可以防止出现悬垂指针的情况。
一般是把指针封装到一个称之为智能指针类中,这个类中另外还封装了一个使用计数器,对指针的复制等操作将导致该计数器的值加1,对指针的delete操作则会减1,值为0时,释放指针,并指针为NULL



四、智能指针的实现
根据《Moden C++ Design》,我们可以构造具有很多正交特性的智能指针。
1)C++中的智能指针与JAVA中的对象
前段时间跟朋友聊了些有关JAVA的东西,感觉上Java中的对象就是C++中的智能指针,但具有不同的资源释放方式。
在JAVA中,创建实例时,不能像C++中运用" A a;" 语句声明得到一个类(A)的实例a,而必须通过语句 Aa = new A() 来获得;在释放a时,应用必需通知GC(垃圾收集功能)来释放该实例所占用的资源。
当然,JAVA中的对象有一小点同C++中的职能不同,因为在C++中指针不具有"."操作符,故智能指针一般也不提供"."操作符,但在Java中都是通过"."操作符对对象进行操作的,不过我们可以把C++中智能指针的"->"操作符与Java中的"."操作符进行类比

2)引用计数型智能指针
C++中有一种常用的智能指针,是引用计数型智能指针:RCSmartPtr。 它的实现基理如下:
首先,存在RCObject,即存在一个对象,该对象提供引用计数接口。
其次,要存在指向RCObject的RCSmartPtr对象,在RCSmartPtr对象的构造过程中,把指向RCObject的指针作为参数传入RCSmartPtr中。因此每增加一个RCSmartPtr对象,就多了一个指向RCObject的指针。RCSmartPtr可以通过调用RCObject的引用计数接口,增加RCObject的引用计数。同样的道理可以在RCSmartPtr对象的析构函数中调用RCObject的引用记数接口来减少RCObject的引用记数。
最后,在对RCObject的引用计数进行操作时对引用计数进行检查,如果引用计数为0,则RCObject将摧毁本身,从而释放该对象所占用的资源。
通过这种方式,我们就可以把对资源的管理交给机器来管理,解除了对人工的倚赖。




五、C++智能指针的应用分析

前段时间,在查控件的内存泄露时,最终找出一个错误:

在使用XMLDom(COM)时,由于重复使用某接口指针前未释放Dispatch指针(Release),而导致内存泄露,而此类错误(如同BSTR类型的泄漏),VC的调试器和Bondcheck均无能为力。解决办法,似乎只有细心一途,但只要稍稍仔细看看,就可发现,实际上如果正确使用VC提供的智能指针,是可以避免此问题的。

另外,一直为Java程序员津津乐道的内存使用无需管理的优势,一直知道用C++的智能指针可以模拟。但一直没实际动手做过,趁此分析之机,用C++简单包装了一个。反正粗看之下,可以达到与Java类似的效果,当然,C++的对象更高效且节省内存。


就以上所提到的,简单罗列几点:

1)关于纠错,MFC和ATL中智能指针的应用
1. 在Windows中如何方便的查看当前进程使用的内存。
虽然代码简单,但对纠错时有大用处,不用不停的通过切换任务管理器来查看内存使用。代码如下:

UINT C_BaseUtil::getProcessMemoryUsed()
{
UINT uiTotal = 0L;

HANDLE hProcess = ::GetCurrentProcess();
PROCESS_MEMORY_COUNTERS pmc;
if(::GetProcessMemoryInfo(hProcess, &pmc, sizeof(pmc)))
uiTotal = pmc.WorkingSetSize;

return uiTotal;
}

注意:由于内存使用会是一个不稳定的过程,所以,需要在程序稳定时进行调用,才能准确。

2)在使用Com的Dispatch指针时,如果不使用COM智能指针,容易出现的错误
2.1. 忘记在所有出口释放指针。
IXMLDOMDocument *pDoc = NULL;
CoCreateInstance(...)
……
pDoc->Release();
错误:如果中间代码发生异常,则pDoc未能正常释放,造成内存泄露。

2.2. 重复使用同一指针变量,导致中间生成的Dispatch指针未能释放。
IXMLDOMNode *pNode = NULL;

if(FAILED(pDoc->selectSingleNode(_bstr_t("Workbook"), &pNode)) || pNode==NULL)
throw(_T("selectSingleNode failed!"));
if(FAILED(pDoc->selectSingleNode(_bstr_t("Workbook"), &pNode)) || pNode==NULL)
throw(_T("selectSingleNode failed!"));
错误:pNode未释放就开始第二次调用,造成内存泄露。或者类似pNode = pNode2的这种写法,也随手就出问题了。
必须调用 if(pNode) {pNode->Release();pNode=NULL;}

3)使用MFC提供的Com智能指针解决上述问题
注意:可通过查看源码,看到#import生成的智能指针的原型是_com_ptr_t。
3.1
IXMLDOMDocumentPtr docPtr = NULL;
docPtr.CreateInstance(...)
……
这下不会有问题了,因为docPtr在析构时会有正确的释放处理。

3.2
IXMLDOMNodePtr nodePtr = NULL;

if(FAILED(pDoc->selectSingleNode(_bstr_t("Workbook"), &nodePtr)) || nodePtr==NULL)
throw(_T("selectSingleNode failed!"));
if(FAILED(pDoc->selectSingleNode(_bstr_t("Workbook"), &nodePtr)) || nodePtr==NULL)
throw(_T("selectSingleNode failed!"));
不会出错了,因为_com_ptr_t重载了&操作符,在取指针时,有如下操作:
Interface** operator&() throw()
{
_Release();
m_pInterface = NULL;
return &m_pInterface;
}


3.3

nodePtr = nodePrt2 ,也不会有问题:
仔细查看源码,在=操作符中会调用Attach,而Attach的做法是,会先调用_Release();


3.4

再看看值传递,拷贝构造函数如下

template<> _com_ptr_t(const _com_ptr_t& cp) throw()
: m_pInterface(cp.m_pInterface)

_AddRef(); 
}
嗯,也不会有问题。

3.5
最后,我们也总结一下使用COM智能指针时的注意事项:
不要在Com智能指针的生命期如果在::CoUninitailize之后,那请在调用::CoUninitailize之前,强制调用MyComPtr = NULL;达到强制释放的目的,否则会出错。
不要混用智能指针和普通Dispatch指针,不要调用MyComPtr->Release(),这违背智能指针的原意,会在析构时报错。

4)使用ATL提供智能指针:CComPtr或是CComQIPtr
如果不使用MFC框架,要自已包装IDispatch,生成智能指针,还可以使用ATL提供的智能指针。查看源码,并参照《深入解析ATL》一书,发现实现与_com_ptr_t大同小异,效果一致。



六、C++智能指针的标准实现
1)标准C++的智能指针
说到智能指针,我们一定要看看标准C++提供的auto_ptr。而auto_ptr的使用是有很多限制的,我们一条一条来细数:
1.1 auto_ptr要求一个对象只能有一个拥有者,严禁一物二主。
比如以下用法是错误的。
classA *pA = new classA;
auto_ptr<classA> ptr1(pA);
auto_ptr<classA> ptr2(pA);

1.2 auto_ptr是不能以传值方式进行传递的。
因为所有权的转移,会导致传入的智能指针失去对指针的所有权。如果要传递,可以采用引用方式,利用const引用方式还可以避免程序内其它方式的所有权的转移。就其所有权转移的做法:可以查看auto_ptr的拷贝构造和=操作符的源码,此处略。

1.3 其它注意事项:
a、不支持数组。
b、注意其Release语意,它没有引用计数,与com提供的智能指针不同。Release是指释放出指针,即交出指针的所有权。
c、auto_ptr在拷贝构造和=操作符时的特珠含义,决定它不能做为STL标准容器的成员。
好了,看了上面的注意事项,特别是第三条,基本上可以得出结论:在实际应用场合,auto_ptr基本没什么应用价值的。

2)如何得到支持容器的智能指针
我们利用auto_ptr的原型,制作一个引用计数的智能指针,则时让它支持STL容器的标准。实现代码很简单,参照了《C++标准程序库》中的代码,关键代码如下:
template<class T>
class CountedPtr {
private:
 T *ptr = NULL;
 long *counter = NULL;

public:
  explicit CountedPtr(T *p = NULL) : ptr(p),count(new long(1){}	 	// 构造
  ~CountedPtr() {Release();}  										// 析构

  CountedPtr(cont CountedPtr<T> &p) : ptr(p.ptr),count(p.count) {++*counter;}   // 拷贝构造
 
	// = 操作符
  CountedPtr<T>& operator= (const CountedPtr<T>& p) {
   if(this!=&p) {
   	Release(); 
    ptr = p.ptr;
    counter = p.counter;
        ++*counter;
   }
   return *this;
  }

  // 其它略 
	// ....

private:
  void Release() {
   if(--*counter == 0) {
    delete counter;
    delete ptr;
		counter = NULL;
		ptr = NULL;
   } 
  }
}
好了,这样,当复制智能指针时,原指针与新指针副本都是有效的,这样就可以应用于容器了。
现在,通过CountedPtr包装的C++对象,是不是和Java的对象类似了呢,呵呵。只要再加上一些必要的操作符,它就可以作为容器中的共享资源来使用了。




参考推荐:

智能指针(百度百科)

Smart pointer(wiki)

C++中的智能指针

C++ 智能指针详解

Visual C++及C++中的智能指针应用分析


android sp wp推荐

Android 智能指针原理




原文链接:http://blog.csdn.net/sunboy_2050/article/details/6198096
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