C++中智能指针的设计和使用

智能指针(smart pointer)是存储指向动态分配（堆）对象指针的类，用于生存期控制，可以确保自己主动正确的销毁动态分配的对象，防止内存泄露。它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。每次创建类的新对象时。初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为还有一对象的副本而创建时。拷贝构造函数拷贝指针并添加与之对应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符降低左操作数所指对象的引用计数（假设引用计数为减至0。则删除对象），并添加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数降低引用计数（假设引用计数减至0，则删除基础对象）。
    智能指针就是模拟指针动作的类。全部的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有更多功能。比較实用的是自己主动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及暂时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。

当然，智能指针还不止这些，还包含复制时能够改动源对象等。智能指针依据需求不同，设计也不同（写时复制，赋值即释放对象拥有权限、引用计数等，控制权转移等）。auto_ptr 即是一种常见的智能指针。
     智能指针通经常使用类模板实现：

template <class T>
class smartpointer
{
private:
    T *_ptr;
public:
    smartpointer(T *p) : _ptr(p)  //构造函数
    {
    }
    T& operator *()        //重载*操作符
    {
        return *_ptr;
    }
    T* operator ->()       //重载->操作符
    {
        return _ptr;
    }
    ~smartpointer()        //析构函数
    {
        delete _ptr;
    }
};

实现引用计数有两种经典策略。在这里将使用当中一种，这里所用的方法中，须要定义一个单独的详细类用以封装引用计数和相关指针：

// 定义仅由HasPtr类使用的U_Ptr类。用于封装使用计数和相关指针
// 这个类的全部成员都是private。我们不希望普通用户使用U_Ptr类，所以它没有不论什么public成员
// 将HasPtr类设置为友元。使其成员能够訪问U_Ptr的成员
class U_Ptr
{
    friend class HasPtr;
    int *ip;
    size_t use;
    U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
    {
        cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
    }
    ~U_Ptr()
    {
        delete ip;
        cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
    }
};

       HasPtr类须要一个析构函数来删除指针。

可是，析构函数不能无条件的删除指针。

”
      条件就是引用计数。假设该对象被两个指针所指。那么删除当中一个指针。并不会调用该指针的析构函数。由于此时还有另外一个指针指向该对象。看来，智能指针主要是预防不当的析构行为，防止出现悬垂指针。

     如上图所看到的，HasPtr就是智能指针，U_Ptr为计数器；里面有个变量use和指针ip，use记录了*ip对象被多少个HasPtr对象所指。

如果如今又两个HasPtr对象p1、p2指向了U_Ptr。那么如今我delete  p1。use变量将自减1，  U_Ptr不会析构，那么U_Ptr指向的对象也不会析构。那么p2仍然指向了原来的对象，而不会变成一个悬空指针。当delete p2的时候，use变量将自减1，为0。

此时，U_Ptr对象进行析构，那么U_Ptr指向的对象也进行析构，保证不会出现内存泄露。

 
    包括指针的类须要特别注意复制控制，原因是复制指针时仅仅复制指针中的地址。而不会复制指针指向的对象。
    大多数C++类用三种方法之中的一个管理指针成员
    （1）无论指针成员。复制时仅仅复制指针。不复制指针指向的对象。

当当中一个指针把其指向的对象的空间释放后。其他指针都成了悬浮指针。这是一种极端
    （2）当复制的时候，即复制指针，也复制指针指向的对象。这样可能造成空间的浪费。由于指针指向的对象的复制不一定是必要的。

   （3） 第三种就是一种折中的方式。利用一个辅助类来管理指针的复制。原来的类中有一个指针指向辅助类，辅助类的数据成员是一个计数器和一个指针（指向原来的）（此为本次智能指针实现方式）。
     事实上，智能指针的引用计数类似于java的垃圾回收机制：java的垃圾的判定非常简答，假设一个对象没有引用所指，那么该对象为垃圾。

系统就能够回收了。
     HasPtr 智能指针的声明例如以下。保存一个指向U_Ptr对象的指针。U_Ptr对象指向实际的int基础对象，代码例如以下：

#include<iostream>
using namespace std;

// 定义仅由HasPtr类使用的U_Ptr类。用于封装使用计数和相关指针
// 这个类的全部成员都是private，我们不希望普通用户使用U_Ptr类，所以它没有不论什么public成员
// 将HasPtr类设置为友元。使其成员能够訪问U_Ptr的成员
class U_Ptr
{
    friend class HasPtr;
    int *ip;
    size_t use;
    U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
    {
        cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
    }
    ~U_Ptr()
    {
        delete ip;
        cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
    }
};

class HasPtr
{
public:
    // 构造函数：p是指向已经动态创建的int对象指针
    HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)
    {
        cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
    }

    // 复制构造函数：复制成员并将使用计数加1
    HasPtr(const HasPtr& orig) : ptr(orig.ptr) , val(orig.val)
    {
        ++ptr->use;
        cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
    }

    // 赋值操作符
    HasPtr& operator=(const HasPtr&);

    // 析构函数：假设计数为0。则删除U_Ptr对象
    ~HasPtr()
    {
        cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
        if (--ptr->use == 0)
            delete ptr;
    }

    // 获取数据成员
    int *get_ptr() const
    {
        return ptr->ip;
    }
    int get_int() const
    {
        return val;
    }

    // 改动数据成员
    void set_ptr(int *p) const
    {
        ptr->ip = p;
    }
    void set_int(int i)
    {
        val = i;
    }

    // 返回或改动基础int对象
    int get_ptr_val() const
    {
        return *ptr->ip;
    }
    void set_ptr_val(int i)
    {
        *ptr->ip = i;
    }
private:
    U_Ptr *ptr;   //指向使用计数类U_Ptr
    int val;
};
HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &rhs)  //注意，这里赋值操作符在降低做操作数的使用计数之前使rhs的使用技术加1。从而防止自我赋值
{
    // 添加右操作数中的使用计数
    ++rhs.ptr->use;
    // 将左操作数对象的使用计数减1。若该对象的使用计数减至0，则删除该对象
    if (--ptr->use == 0)
        delete ptr;
    ptr = rhs.ptr;   // 复制U_Ptr指针
    val = rhs.val;   // 复制int成员
    return *this;
}

int main(void)
{
    int *pi = new int(42);
    HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100);    // 构造函数
    HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa);     // 拷贝构造函数
    HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb);     // 拷贝构造函数
    HasPtr hpd = *hpa;     // 拷贝构造函数

    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    hpc->set_ptr_val(10000);
    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    hpd.set_ptr_val(10);
    cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
    delete hpa;
    delete hpb;
    delete hpc;
    cout << hpd.get_ptr_val() << endl;
    return 0;
}

这里的赋值操作符比較麻烦。且让我用图表分析一番：
如果如今又两个智能指针p1、 p2，一个指向内容为42的内存。一个指向内容为100的内存。例如以下图：

如今。我要做赋值操作，p2 = p1。

对照着上面的

HasPtr& operator=(const HasPtr&);   // 赋值操作符

此时。rhs就是p1，首先将p1指向的ptr的use加1，

++rhs.ptr->use;     // 添加右操作数中的使用计数

然后。做：

if (--ptr->use == 0)
        delete ptr;

由于。原先p2指向的对象如今p2不在指向。那么该对象就少了一个指针去指，所以。use做自减1；
此时，条件成立。由于u2的use为1。

那么，执行U_Ptr的析构函数，而在U_Ptr的析构函数中，做了delete ip操作，所以释放了内存。不会有内存泄露的问题。
接下来的操作非常自然。无需多言：

ptr = rhs.ptr;   // 复制U_Ptr指针
    val = rhs.val;   // 复制int成员
    return *this;

做完赋值操作后，那么就成为例如以下图所看到的了。

红色标注的就是变化的部分：

而还要注意的是，重载赋值操作符的时候，一定要注意的是，检查自我赋值的情况。
如图所看到的：

此时。做p1 = p1的操作。那么。首先u1.use自增1。为2。然后。u1.use自减1，为1。那么就不会运行delete操作，剩下的操作都能够顺利进行。按《C++ primer》说法，“这个赋值操作符在降低左操作数的使用计数之前使rhs的使用计数加1，从而防止自身赋值”。哎。反正我是那样理解的。

当然，赋值操作符函数中一来就能够按常规那样：

if(this == &rhs)
        return *this;

执行结果例如以下图：

原文地址：http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7561235