十三、智慧指標二
摘要：
1、 SmartPointer 智慧指標重構
需求：使用智慧指標 SmartPointer 替換單鏈表 LinkList 中的原生指標
將原生指標更改為智慧指標後，解決全部的編譯問題，程式還是會出錯，問題在於： SmartPointer 的設計方案存在的一些特性
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1、 SmartPointer 智慧指標重構
需求：使用智慧指標 SmartPointer 替換單鏈表 LinkList 中的原生指標
將原生指標更改為智慧指標後，解決全部的編譯問題，程式還是會出錯，問題在於： SmartPointer 的設計方案存在的一些特性
- 指標的生命週期結束時主動釋放堆空間
- 一片堆空間最多隻能有一個指標標識
- 不允許指標運算和指標比較
需求：建立新的指標指標
Pointer 是智慧指標的抽象父類（模板）
virtual ~Pointer() = 0 operator ->() operator* ()
智慧指標新的設計方案
template <typename T>
class Pointer : public Object
{
protected:
T* m_pointer;
public:
Pointer(T* p = NULL)
{
m_pointer = p;
}
T* operator-> ()
{
return m_pointer;
}
T& operator* ()
{
return *m_pointer;
}
bool inNull()
{
return (m_pointer == NULL);
}
T* get()
{
return m_pointer;
}
// 只要沒有實現一個具體的解構函式，Pointer繼承於Object，就是一個抽象類
};
修改 SmartPointer ，繼承於 Pointer 類
#ifndef SMARTPOINTER_H
#define SMARTPOINTER_H
#include "Pointer.h"
namespace DTLib
{
// 構建一個智慧指標模板類
template<typename T>
class SmartPointer : public Pointer<T>
{
public:
// 建構函式，初始化傳參為堆空間地址
SmartPointer(T* p = NULL) : Pointer<T>(p)// 呼叫父類的建構函式的形式
{
// 建構函式呼叫父類的建構函式
}
// 拷貝建構函式
SmartPointer(const SmartPointer<T>& obj)
{
this->m_pointer = obj.m_pointer;
const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).m_pointer = NULL;
//
}
SmartPointer<T>& operator = (const SmartPointer<T>& obj)
{
if(this != &obj)
{
// 釋放掉原來指向的那個堆空間
// 如果先刪除m_pointer指向的堆空間，就有可能導致異常丟擲
// 要保證異常安全性
// delete m_pointer;
// 指向新的堆空間
// m_pointer = obj.m_pointer;
// 刪除obj物件中m_pointer與這個堆空間的關聯，保證一個堆空間只有一個指標指向這個堆空間
// const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).m_pointer = NULL;
// 為了異常安全性，用一個臨時變數儲存this->pointer指標，方便釋放
T* p = this->m_pointer;
this->m_pointer = obj.m_pointer;
const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).m_pointer = NULL;
delete p;
}
return *this;
}
// 解構函式需要衝重寫，否則就還是一個抽象類
~SmartPointer()
{
delete this->m_pointer;
}
};
}
#endif // SMARTPOINTER_H
2、 SharedPointer 智慧指標
需求：多個智慧指標指向同一片堆空間，並且這些指標支援自動釋放
SharedPointer 設計要點：類模板
ref ref++ ref-- ref == 0
計數機制原理剖析：
3個指標同時指向了堆空間中的統一物件，與物件相關聯的計數標識應該是3。如果將 shared_pointer_3 置空，應該計數減一，計數變數為2；如果全部置空，計數變數為0，意味著最後一個智慧指標要將堆空間裡面的物件銷燬掉，將堆空間的記憶體釋放。
虛線矩形框將物件和計數變數框在了一起，意味著每一個堆空間中的物件都和這個計數變數相關聯，這個計數變數也位於堆空間裡面。在具體實現上計數變數也是在堆空間裡面建立的，並且計數變數的生命週期和這個物件的生命週期是完全一致的。
SharedPointer 類的宣告
template <typename T>
class SharedPointer : public Pointer<T>
{
protected:
int* m_ref; // 計數機制成員指標
// 成員指標指向堆空間裡面建立的計數變數
public:
SharedPointer(T* p = NULL);
SharedPointer(const SharedPointer<T>& obj);
SharedPointer<T>& operator = (const SharedPointer<T>& obj);
void clear();// 當前指標置空
~SharedPointer();
};
由於 SharedPointer 支援多個物件同時指向一片堆空間，因此必須支援比較操作，使智慧指標最大限度上接近原生指標的邏輯。
具體實現如下：
// SharedPointer.h
#ifndef SHAREDPOINTER_H
#define SHAREDPOINTER_H
#include <cstdlib>
#include "Exception.h"
#include "Pointer.h"
namespace DTLib
{
template <typename T>
class SharedPointer : public Pointer<T>
{
protected:
int* m_ref; // 計數機制成員指標
// 進行函式封裝
void assign(const SharedPointer<T>& obj)
{
this->m_ref = obj.m_ref;// 將當前指標物件的ref成員指標指向了對應的計數物件
this->m_pointer = obj.m_pointer;// m_pointer指向對應的堆記憶體
// 還不夠，注意計數機制，計數變數需要+1
if (this->m_ref)
{// 計數變數合法
(*this->m_ref)++;
}
}
public:
// 首先是建構函式對成員變數初始化
SharedPointer(T* p = NULL) : m_ref(NULL)// 將指向計數變數的成員指標，初始化為空
{
if (p)
{
// 首先在堆空間中建立一個計數變數
// 在堆空間中申請4個位元組空間作為存放計數變數的記憶體空間
this->m_ref = static_cast<int*>(std::malloc(sizeof(int)));// malloc返回型別是void*
// 判斷申請是否成功
if (this->m_ref)
{
*(this->m_ref) = 1;// 意味著引數指標p指向的堆空間已經有了一個SharedPointer智慧指標物件來指向了
this->m_pointer = p;// 將成員指標變數指向引數p對應的堆空間
}
else
{// malloc不成功，意味著記憶體不夠用，拋異常
THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException, "No memory to creat SharedPointer object...");
}
}
}
SharedPointer(const SharedPointer<T>& obj)
{
//this->m_ref = obj.m_ref;// 將當前指標物件的ref成員指標指向了對應的計數物件
//this->m_pointer = obj.m_pointer;// m_pointer指向對應的堆記憶體
//// 還不夠，注意計數機制，計數變數需要+1
//if (this->m_ref)
//{// 計數變數合法
//(*this->m_ref)++;
//}
assign(obj);
}
// 賦值操作符過載函式
SharedPointer<T>& operator = (const SharedPointer<T>& obj)
{
if (this != &obj)
{// 避免自賦值
// 邏輯與拷貝構造類似，但是需要做清空操作
// 當前的SharedPointer物件已經指向了另一片堆空間了，在做賦值操作前，應該將當前的智慧指標物件置空，不再指向任何堆空間
// 在賦值之前，置空 clear()
clear();
//// 可以程式碼複用，封裝內部函式
//this->m_ref = obj.m_ref;
//this->m_pointer = obj.m_pointer;
//if (this->m_ref)
//{
//(*this->m_ref)++;
//}
assign(obj);
}
return *this;
}
void clear()// 當前指標置空
{
T* toDel = this->m_pointer;
int* ref = this-> m_ref;
this->m_pointer = NULL;
this->m_ref = NULL;
if (ref)
{// 當前計數變數合法
(*ref)--;
if (*ref == 0)
{// 為0標識該堆空間已經沒有任何智慧指標物件去指向了，應該釋放該堆空間
free(ref);// 釋放計數變數
delete toDel;// 釋放堆空間
}
}
}
~SharedPointer()
{
clear();
}
};
}
#endif // SHAREDPOINTER_H
測試：
int main()
{
SharedPointer<Test> sp0 = new Test();
SharedPointer<Test> sp1 = sp0;
SharedPointer<Test> sp2 = NULL;
sp2 = sp1;
sp2->value = 100;
cout << sp0->value << endl;
cout << sp1->value << endl;
cout << sp2->value << endl;
cout << (sp0 == sp2) << endl;
return 0;
}
結果：
Test()
100
100
100
0
~Test()
sp0 sp1 sp2 均指向了同一片堆空間，通過 sp2->value 更改值之後，和原生指標效果一樣，但是進行指標比較的時候，需要過載比較操作符
#ifndef SHAREDPOINTER_H
#define SHAREDPOINTER_H
#include <cstdlib>
#include "Exception.h"
#include "Pointer.h"
namespace DTLib
{
template <typename T>
class SharedPointer : public Pointer<T>
{
...
};
// 在全域性區過載比較操作符
template <typename T>
bool operator == (const SharedPointer<T>& l, const SharedPointer<T>& r)
{
return (l.get() == r.get());
// get()函式不是const成員函式，所以不能被const物件呼叫
}
template <typename T>
bool operator != (const SharedPointer<T>& l, const SharedPointer<T>& r)
{
return !(l == r);// !=操作符過載的實現用上面==操作的實現就可以了
}
}
#endif // SHAREDPOINTER_H
智慧指標的使用規則：
delete
3、小結
SharedPointer 最大程度地模擬了原生指標的行為
計數機制確保多個智慧指標合法地指向同一片堆空間
智慧指標只能用於指向堆空間中的記憶體
不同型別的智慧指標不要混合使用
堆物件的生命週期由智慧指標進行管理