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一、剖析C++标准库智能指针(std::auto_ptr)
1.Do you Smart Pointer? 2.std::auto_ptr的设计原理 3.std::auto_ptr高级使用指南 4.你是否觉得std::auto_ptr还不够完美?二、C++条件,寻找构造更强大的智能指针(Smart Pointer)的
策略 1.支持引用记数的多种设计策略 2.支持处理多种资源 3.支持Subclassing 4.支持多线程条件下,线程安全的多种设计策略 5.其它多种特殊要求下,再构造三、Generic Programming基础技术和Smart Pointer
1.回首处理资源中的Traits技术 2.回首多线程支持的设计 四、COM实现中,Smart Pointer设计原理 五、著名C++库(标准和非标准)中的Smart Pointer现状---------------------------------------------------------------------
一、剖析C++标准库智能指针(std::auto_ptr) 1.Do you Smart Pointer? Smart Pointer,中文名：智能指针, 舶来品? 不可否认,资源泄露(resource leak)曾经是C++程序的一大噩梦.垃圾回收 机制(Garbage Collection)一时颇受注目.然而垃圾自动回收机制并不能 满足内存管理的即时性和可视性,往往使高傲的程序设计者感到不自在. 况且,C++实现没有引入这种机制.在探索中,C++程序员创造了锋利的 "Smart Pointer".一定程度上,解决了资源泄露问题.也许,经常的,你会写这样的代码：
//x拟为class: // class x{ // public: // int m_Idata; // public: // x(int m_PARAMin):m_Idata(m_PARAMin){} // void print(){ cout<<m_Idata<<endl; } // ..... // } // void fook(){ x* m_PTRx = new A(m_PARAMin); m_PTRx->DoSomething(); //#2 delete m_PTRx; }是的,这里可能没什么问题.可在复杂、N行、m_PTRclassobj所指对象生命周
期要求较长的情况下,你能保证你不会忘记delete m_PTRclassobj吗?生活中, 我们往往不应该有太多的口头保证,我们需要做些真正有用的东西.还有一个 更敏感的问题：异常.假如在#2方法执行期异常发生,函数执行终止,那么new 出的对象就会泄露.于是,你可能会说：那么就捕获异常来保证安全性好了. 你写这样的程式：void fook(){
A* m_PTRx = new A(m_PARAMin); try{ m_PTRx->DoSomething(); } catch(..){ delete m_PTRx; throw; } delete m_PTRx; } 哦!天哪!想象一下,你的系统,是否会象专为捕获异常而设计的.一天,有人给你建议:"用Smart Pointer,那很安全.".你可以这样重写你的程序：
void fook(){ auto_ptr<x> m_SMPTRx(new x(m_PARAMin)); m_SMPTRx->DoSomething(); }OK!你不太相信.不用delete吗?
是的.不用整天提心吊胆的问自己:"我全部delete了吗?",而且比你的delete 策略更安全.然后,还有人告诉你,可以这样用呢：
ok1. auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin)); auto_ptr<x> m_SMPTR2(m_SMPTR1); //#2 May be you can code #2 like this : auto_ptr<x> m_SMPTR2; m_SMPTR2 = m_SMPTR1; ok2. auto_ptr<int> m_SMPTR1(new int(32)); ok3. auto_ptr<int> m_SMPTR1; m_SMPTR1 = auto_ptr<int>(new int(100)); 也可以： auto_ptr<int> m_SMPTR1(auto_ptr<int>(new int(100))); ok4. auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin)); m_SMPTR1.reset(new x(m_PARAMin1)); ok5. auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(m_PARAMin)); auto_ptr<x> m_SMPTR2(m_SMPTR.release()); cout<<(*m_SMPTR2).m_Idata<<endl; ok6. auto_ptr<int> fook(){ return auto<int>(new int(100)); } ok7.............and so on 但不可这样用： no1. char* chrarray = new char[100]; strcpy(chrarray,"I am programming."); auto_ptr<char*> m_SMPTRchrptr(chrarray); //auto_ptr并不可帮你管理数组资源 no2. vector<auto_ptr<x>> m_VECsmptr; m_VECsmptr.push_back(auto_ptr<int>(new int(100))); //auto_ptr并不适合STL内容. no3. const auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100)); auto_ptr<x> m_SMPTR(new x(200)); no4. x m_OBJx(300); auto_ptr<x> m_SMPTR(&m_OBJx); no5 x* m_PTR = new x(100); auto_ptr<x> m_SMPTR = m_pTR; no6..........and so on预先提及所有权的问题,以便下面带着疑问剖析代码?
power1.
auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100)); auto_ptr<x> m_SMPTR2 = m_SMPTR1; m_SMPTR2->print(); //输出：100. m_SMPTR1->print(); //!! 非法的.power2.
auto_ptr<x> m_SMPTR(new x(100)); auto_ptr<x> returnfun(auto_ptr<x> m_SMPTRin){ return m_SMPTRin; } auto_ptr<x> = returnfun(m_SMPTR); //#5//在上面的#5中,我要告诉你对象所有权转移了两次.
//什么叫对象所有权呢? 2. std::auto_ptr的设计原理 上面的一片正确用法,它们在干些什么? 一片非法,它们犯了什么罪? 一片什么所有权转移,它的内部机智是什么? 哦!一头雾水?下面我们就来剖析其实现机制. 基础知识： a.智能指针的关键技术：在于构造栈上对象的生命期控制 堆上构造的对象的生命期.因为在智能指针的内部,存储 着堆对象的指针,而且在构析函数中调用delete行为. 大致机构如下： x* m_PTRx = new x(100);//#1 template<typename T> auto_ptr{ private: T* m_PTR;//维护指向堆对象的指针,在auto_ptr定位后 .... //它应该指向#1构造的对象,即拥有所有权. ~auto(){ delete m_PTR; } .... } b.所有权转移之说 上面曾有一非法的程式片段如下： auto_ptr<x> m_SMPTR1(new x(100)); auto_ptr<x> m_SMPTR2 = m_SMPTR1; m_SMPTR2->print(); //输出：100. m_SMPTR1->print(); //!! 非法的. 按常理来说,m_SMPTR->print();怎么是非法的呢? 那是因为本来,m_SMPTR1维护指向new x(100)的指针, 可是m_SMPTR2 = m_SMPTR1;auto_ptr内部机制使得m_SMPTR1将对象的地址 传给m_SMPTR2,而将自己的对象指针置为0. 那么自然m_SMPTR->print();失败. 这里程序设计者要负明显的职责的. 那么auto_ptr为什么采取这样的策略：保证所有权的单一性. 亦保证了系统安全性. 如果多个有全权的auto_ptr维护一个对象,那么在你消除一个 auto_ptr时,将导致多个auto_ptr的潜在危险. 下面我们以SGI-STL的auto_ptr设计为样本(去掉了无关分析的宏),来剖析其原理. #1 template <class _Tp> class auto_ptr { #2 private: #3 _Tp* _M_ptr; //定义将维护堆对象的指针#4 public:
#5 typedef _Tp element_type; //相关类型定义 #6 explicit auto_ptr(_Tp* __p = 0) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__p) {} #7 auto_ptr(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__a.release()) {} #8 template <class _Tp1> auto_ptr(auto_ptr<_Tp1>& __a) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__a.release()) {} //#6、#7、#8是auto_ptr构造函数的三个版本. //#6注释：传入对象的指针,构造auto_ptr.explicit关键字:禁止隐式转换. // 这就是ok2正确,而no5(隐式转换)错误的原因. //#7注释：拷贝构造函数. // 传入auto_ptr实例,构造auto_ptr. ok1、ok3使用了这个构造式. // 它是一个很关键的构造函数,在具体情况下,我们再分析 //#8注释：auto_ptr的模板成员,可在继承对象重载的基础上,实现特殊功能. // // 举例： // class A{ public: // virtual void fook(){cout<<"I am programming"<<endl; // /*..........*/ }; // class B : public A { // virtual void fook(){ cout<<"I am working"<<endl; // /*...........*/ }; // auto_ptr<A> m_SMPTRa(new A(33));//实质： // auto_ptr<B> m_SMPTRb(m_SMPTRa); //基类的指针可以赋给派生类的指针 // // auto_ptr<B> m_SMPTRb(new B(44));//实质： // auto_ptr<A> m_SMPTRa(m_SMPTRb); //派生类的指针不可赋给基类的指针 // // auto_ptr<A> m_SMPTRa(new B(33)); // ok! // m_SMPTRa->fook()将调用派生类B的fook() // m_SMPTRa->A::fook()将调用基类A的fook() // // auto_ptr<B> m_SMPTRb(new A(33)); // wrong! // // #9 auto_ptr& operator=(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW { #10 if (&__a != this) { delete _M_ptr; _M_ptr = __a.release(); } #11 return *this; #12 } #13 template <class _Tp1> #14 auto_ptr& operator=(auto_ptr<_Tp1>& __a) __STL_NOTHROW { #15 if (__a.get() != this->get()) { delete _M_ptr; _M_ptr = __a.release(); } #16 return *this; #16 } // // #9~~#16 两个版本的指派函数. // delete _M_ptr; 在指派前,销毁原维护的对象. // _a.release() ; release操作,详细代码参见#20~~#23. // 用于*this获得被指派对象, // 且将原维护auto_ptr置空. // no3使用了第一种指派. // 而权限转移正是_a.release()的结果. #17 ~auto_ptr() __STL_NOTHROW { delete _M_ptr; } //构析函数.消除对象.注意这里对对象的要求! #17 _Tp& operator*() const __STL_NOTHROW { return *_M_ptr; } #18 _Tp* operator->() const __STL_NOTHROW { return _M_ptr; } #19 _Tp* get() const __STL_NOTHROW { return _M_ptr; } // // 操作符重载. // #17注释：提领操作(dereference),获得对象. 见ok5用法. // #18注释：成员运算符重载,返回对象指针. // #19注释：普通成员函数.作用同于重载->运算符 // #20 _Tp* release() __STL_NOTHROW { #21 _Tp* __tmp = _M_ptr; #22 _M_ptr = 0; #23 return __tmp; } //上面已经详解 #24 void reset(_Tp* __p = 0) __STL_NOTHROW { #25 delete _M_ptr; #26 _M_ptr = __p; } // //传入对象指针,改变auto_ptr维护的对象 // 且迫使auto_ptr消除原来维护的对象 // 见ok3用法.// According to the C++ standard, these conversions are required. Most
// present-day compilers, however, do not enforce that requirement---and, // in fact, most present-day compilers do not support the language // features that these conversions rely on. //下面这片段用于类型转化,目前没有任何编译器支持 //具体技术细节不诉.#ifdef __SGI_STL_USE_AUTO_PTR_CONVERSIONS
#27 private:
#28 template<class _Tp1> #29 struct auto_ptr_ref { _Tp1* _M_ptr; auto_ptr_ref(_Tp1* __p) : _M_ptr(__p) {} };#30 public:
#31 auto_ptr(auto_ptr_ref<_Tp> __ref) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__ref._M_ptr) {} #32 template <class _Tp1> #33 operator auto_ptr_ref<_Tp1>() __STL_NOTHROW #34 { return auto_ptr_ref<_Tp>(this->release()); } #35 template <class _Tp1> operator auto_ptr<_Tp1>() __STL_NOTHROW #36 { return auto_ptr<_Tp1>(this->release()); } #37 #endif /* __SGI_STL_USE_AUTO_PTR_CONVERSIONS */ #38 }; OK!就是这样了. 正如上面原理介绍处叙说, 你需要正视两大特性： 1.构造栈对象的生命期控制堆上构造的对象的生命期 2.通过release来保证auto_ptr对对象的独权. 在我们对源码分析的基础上,重点看看： no系列错误在何处? no1. 我们看到构析函数template<class _Tp> ~auto_ptr() _STL_NOTHROW { delete _M_ptr; } 所以它不能维护数组, 维护数组需要操作：delete[] _M_ptr; no2. 先提部分vector和auto_ptr代码： a.提auto_ptr代码 auto_ptr(auto_ptr& __a) __STL_NOTHROW : _M_ptr(__a.release()) {} b.提vector代码 Part1: void push_back(const _Tp& __x) { if (_M_finish != _M_end_of_storage) { construct(_M_finish, __x); ++_M_finish; } else _M_insert_aux(end(), __x); } Part2: template <class _T1, class _T2> inline void construct(_T1* __p,//++++++++++++++++++++++++++++++++
// const _T2& __value) { + //++++++++++++++++++++++++++++++++ // new (__p) _T1(__value); + //++++++++++++++++++++++++++++++++}
Part3. template <class _Tp, class _Alloc> void vector<_Tp, _Alloc>::_M_insert_aux (iterator __position,//++++++++++++++++++++++++++++++++
// const _Tp& __x) ++ //++++++++++++++++++++++++++++++++ { if (_M_finish != _M_end_of_storage) { construct(_M_finish, *(_M_finish - 1)); ++_M_finish;//++++++++++++++++++++++++++++++++
// _Tp __x_copy = __x; + //++++++++++++++++++++++++++++++++copy_backward(__position, _M_finish - 2, _M_finish - 1);
*__position = __x_copy; } else { const size_type __old_size = size(); const size_type __len = __old_size != 0 ? 2 * __old_size : 1; iterator __new_start = _M_allocate(__len); iterator __new_finish = __new_start; __STL_TRY { __new_finish = uninitialized_copy (_M_start, __position, __new_start); construct(__new_finish, __x); ++__new_finish; __new_finish = uninitialized_copy (__position, _M_finish, __new_finish); } __STL_UNWIND((destroy(__new_start,__new_finish), _M_deallocate(__new_start,__len))); destroy(begin(), end()); _M_deallocate(_M_start, _M_end_of_storage - _M_start); _M_start = __new_start; _M_finish = __new_finish; _M_end_of_storage = __new_start + __len; } }从提取的vector代码,Part1可看出,push_back的操作行为.
兵分两路,可是再向下看,你会发现,无一例外,都 通过const _Tp& 进行拷贝行为,那么从auto_ptr提出的片段就 派上用场了. 可你知道的,auto_ptr总是坚持对对象的独权.那必须修改 原来维护的对象,而vector行为要求const _Tp&,这样自然会产生 问题.一般编译器是可以发觉这种错误的.其实,STL所有的容器类都采用const _Tp&策略.
//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + 看了sutter和Josuttis的两篇文章中,都提及： + + STL容器不支持auto_ptr原因在于copy的对象只是获得所有权的对象, + + 这种对象不符合STL的要求.可是本人总感觉即时不是真正的复制对象,+ + 但我用vector<auto_ptr<x> >的目的就在于维护对象,并不在乎 + + 所谓的完全对象.而且我用自己写的Smart Pointer配合STL容器工作, + + 很正常.那需要注意的仅仅是const问题. + + + //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++no3.
这个也是auto_ptr隐含的所有权问题引起的. const auto_ptr不允许修改. 随便提及：const对象不代表对象一点不可以改变. 在两种const语义下,都有方法修改对象或对象内部指针维护的对象 或其它资源. no4. 再看auto_ptr的构析函数. delete不可以消除栈上资源.no5.
依赖传入对象指针的构造函数被声明为explicit,禁止隐式转换.3.auto_ptr高级使用指南 a.类成员auto_ptr,禁止构造函数以构建"完全对象" Programme1: struct Structx{ int m_Idata; char m_CHRdata; /* and so on */ }; 出于对象编程的理念, 我们将Structx打造成包裹类： class StructWrapper{ private: Structx* m_STRTxptr; public: StructWrapper():m_STRTxptr(new Structx){} ~StructWrapper(){delete m_SMRTxptr; } public: void Soperator1(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} void Soperator2(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} /* and so on */ }; Programme2: class StructWrapper{ private: auto_ptr<Structx> m_SMPTRx; public: StructWrapper():m_SMPTRAx(new Structx){} public: void Soperator1(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} void Soperator2(){ /* 针对Structx对象的特性操作 */} /* and so on */ }; Programme3: StructWrapper::StructWrapper(const StructWrapper& other) : M_SMPTRx(new Struct(*other.m_SMPTRx)) { } StructWrapper& StructWrapper::operator=(const StructWrapper &other){ *m_SMPTRx = *other.m_SMPTRx; };
处于对构建于堆中的对象(new Structx)智能维护的需要.
我们将programme1改造为programme2： 不错,对象是可以智能维护了. 对于包裹类(StructWrapper)你是否会有这样的构造或指派操作： StructWrapper m_SMPTRWrapper2(m_SMPTRWrapper1); StructWrapper mSMPTRWrapper2 = m_SMPTRWrapper1; 那么请注意： 当你坦然的来一个：M_SMPTRWrapper1->Soperator1();的时候, 系统崩溃了. 不必惊讶,所有权还是所有权问题. 问一下自己：当programme2默认拷贝构造函数作用时,又调用了auto_ptr的 默认构造函数,那么auto_ptr所有的默认行为都遵循独权策略.对,就这样. m_SMPTRWrapper1的对象所有权转移给了m_SMPTRWrapper2. M_SMPTRWrapper1->Soperator1();那么操作变成了在NULL上的. 哦!系统不崩溃才怪. 那么你需要想,programme3那样利用auto_ptr的提领操作符自己的 构造"完全对象".b.利用const关键字,防止不经意的权限转移
从上面的叙述,你可看出,所有权转移到处可以酿成大祸. 而对于一般应用来说,独权又是很好的安全性策略. 那么我们就用const来修饰auto_ptr,禁止不经意的错误. 当然上面提及：并不代表auto_ptr是不可修改的. 处于需要,从两种const语义,你都可实现修改.然,你还希望在函数传入传出auto_ptr那么你可传递auto_ptr的引用,
那就万无一失了: void fook(const auto_ptr<x>& m_PARAMin); 在返回后赋予其它时,使用引用是不行的.你得用指针. 因为引用无论作为lvalue还是rvaluev,都会调用构造或指派函数. 4.你是否觉得std::auto_ptr还不够完美 在实践中,std::auto_ptr能满足你的需求吗? Andrei Alexandrescu在一篇文章中,提及：有关Smart Pointer的技术就像 巫术.Smart Pointer作为C++垃圾回收机制的核心,它必须足够强大的、具有工业强度和安全性. 但为了可一劳永逸我们还需要披荆斩棘继续探索.下面在需求层面上,我们思索一下我们的智能指针还需要些什么?
a. std::auto_ptr 能够处理数组吗?我们可以用智能指针来管理其它的资源吗? 譬如一个线程句柄、一个文件句柄 and so on ! b. 对于我们的对象真的永远实行独权政策吗? c. Our 智能指针还需要在继承和虚拟层面上发挥威力 ! d. 往往,需要扩展Our 智能指针的功能成员函数来满足动态的需要 ! e. 也许,你需要的还很多.---------------------------------------------------------------
[下续]二、C++条件,寻找构造更强大的智能指针(Smart Pointer)的
策略 1.支持引用记数的多种设计策略 2.支持处理多种资源 3.支持Subclassing 4.支持多线程条件下,线程安全的多种设计策略 5.其它多种特殊要求下,再构造三、Generic Programming基础技术和Smart Pointer
1.回首处理资源中的Traits技术 2.回首多线程支持的设计 四、COM实现中,Smart Pointer设计原理 五、著名C++库(标准和非标准)中的Smart Pointer现状转自()