C++ 拷贝控制和资源管理，智能指针的简单实现

软件设计

2017-04-02

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, &#39;c&#39;));  //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：

C++ 拷贝控制和资源管理，智能指针的简单实现