c++智能指针的简单实现

pointer

因为c++没有拉圾回收的机制,所以,c++程序经常出现各种内存泄漏,一般而言,指针的new和delete需要对应,不然就会出现很严重的问题。而智能指针就是帮助我们自动管理指针的一种方式,比较常用的就是利用引用计数的方式,实现,当变量出了作用域时自动删除,当还有其他变量持有指针时不会删除。


智能指针有很多实现方式,stl和boost库里都有实现,为了,便于理解和应用,我们来看看如何自己实现一个简单的智能指针。我这里要说的实现方式,是通过一个辅助类,来记录引用计数来操作的。

看了很多其他人写的关于智能指针的内容,都没有说明为什么要这么实现。要自己想清楚智能指针的实现,首要的就是要去理解c++的内存分配和管理的方式。

像很多c++书中说的那样,c++的内存存储主要分为两部分,栈和堆。我们声明的各种非指针的类型,比如int,char,类等都是分配在栈中的,这里面的内存是自动管理,我们不需要操心的,所以当这些内容超出了它的作用域时就会被自动回收。

int* test1() {
    int x = 2;
    int *xp = &x;
    return xp;
}
void test2() {
    int *xp = test1();
    *xp = 3;
}

像这样的调用是有问题的,xp的指针是指向x的内存地址的,当出了test1函数的作用域时x会被回收,再对这个地址操作就是有问题了。

在c++中,我们通过new和malloc方式得到的内存是分配在堆上的,这些内存如果我们不回收会一直存在那里,即使出了作用域也有,也就是如果new出的东西自己不去delete,系统也不会帮你回收,这样就会造成内存泄漏。所以通过new得到的内存我们需要自己去delete,同样malloc得到的内存需要自己去free。

于是结合这两种内存分配机制,我们就可以构造我们自己的智能指针了。我们需要使用指针时我们只需要用自己构造的指针类,用类来生成实例,这种instance是分配在栈上的,出了作用域就会被自动回收。而指针类有一个成员变量,它是指向智能指针实例的指针,也就是我们的辅助类,辅助类中记录了引用次数,看代码。

#include 
#include 
class SmartPtr {
    public:
        int count;
        int *p;
        SmartPtr(): count(1), p(new int()) {}
        ~SmartPtr() {
            printf("%d smart_ptr deleted\n", *p);
            delete p;
        }
};
class Ptr {
    public:
        SmartPtr *sp;
        Ptr(): sp(new SmartPtr()) {}
        Ptr(const Ptr& other): sp(other.sp) {
            sp->count++;
        }
        Ptr& operator=(const Ptr& other) {
            sp = other.sp;
            sp->count++;
            return *this;
        }
        ~Ptr() {
            if (--sp->count == 0)
                delete sp;
        }
};
Ptr test() {
    Ptr p1;
    *(p1.sp->p) = 8;
    Ptr p2;
    *(p2.sp->p) = 16;
    return p1;
}
int main() {
    Ptr p;
    *(p.sp->p) = 4;
    Ptr p2 = p;
    printf("%d %d\n", *(p2.sp->p), p.sp->count);
    Ptr p3 = test();
    printf("%d\n", *(p3.sp->p));
    return 0;
}

需要指针时都是通过类生成实例的方式来使用,而不是直接只用指针,指针类Ptr中有指向辅助类的指针,这样Ptr的实例超出作用域时会被自动回收,而记录数据的辅助类因为是new出来的,所以会一直存在在那里,当有复制等行为时,引用计数相应增加,而Ptr被回收时引用计数也相应的减少,当引用计数为0的时候,就可以delete掉辅助类了。

代码和程序还是很清晰的,可以自己运行看看,感觉智能指针也是一种帮助理解c++内存管理的方式,当对一切原理都清楚的时候,注意不同的内存分配,写程序也会变得很轻松了。

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