By SmartPtr(http://www.shnenglu.com/SmartPtr/)
auto_ptr是當前C++標準庫中提供的一種智能指針，或許相對于boost庫提供的一系列眼花繚亂的智能指針， 或許相對于Loki中那個無所不包的智能指針，這個不怎么智能的智能指針難免會黯然失色。誠然，auto_ptr有這樣那樣的不如人意，以至于程序員必須像使用”裸“指針那樣非常小心的使用它才能保證不出錯，以至于它甚至無法適用于同是標準庫中的那么多的容器和一些算法，但即使如此，我們仍然不能否認這個小小的auto_ptr所蘊含的價值與理念。
auto_ptr的出現，主要是為了解決“被異常拋出時發生資源泄漏”的問題。即如果我們讓資源在局部對象構造時分配，在局部對象析構時釋放。這樣即使在函數執行過程時發生異常退出，也會因為異常能保證局部對象被析構從而保證資源被釋放。auto_ptr就是基于這個理念而設計， 這最早出現在C++之父Bjarne Stroustrup的兩本巨著TC++PL和D&E中,其主題為"resource acquisition is initialization"(raii,資源獲取即初始化)，然后又在Scott Meyer的<<More Effective C++>>中相關章節的推動下，被加入了C++標準庫。
下面我就列出auto_ptr的源代碼，并詳細講解每一部分。因為標準庫中的代碼要考慮不同編譯器支持標準的不同而插入了不少預編譯判斷，而且命名可讀性不是很強（即使是侯捷老師推薦的SGI版本的stl,可讀性也不盡如人意）， 這里我用了Nicolai M. Josuttis(<<The C++ standard library>>作者)寫的一個auto_ptr的版本，并做了少許格式上的修改以易于分析閱讀。
namespace std
{
template<class T>
class auto_ptr
{
private:
T* ap;
public:
// constructor & destructor ----------------------------------- (1)
explicit auto_ptr (T* ptr = 0) throw() : ap(ptr){}
~auto_ptr() throw()
{
delete ap;
}
// Copy & assignment --------------------------------------------(2)
auto_ptr (auto_ptr& rhs) throw() :ap(rhs.release()) {}
template<class Y>
auto_ptr (auto_ptr<Y>& rhs) throw() : ap(rhs.release()) { }
auto_ptr& operator= (auto_ptr& rhs) throw()
{
reset(rhs.release());
return *this;
}
template<class Y>
auto_ptr& operator= (auto_ptr<Y>& rhs) throw()
{
reset(rhs.release());
return *this;
}
// Dereference----------------------------------------------------(3)
T& operator*() const throw()
{
return *ap;
}
T* operator->() const throw()
{
return ap;
}
// Helper functions------------------------------------------------(4)
// value access
T* get() const throw()
{
return ap;
}
// release ownership
T* release() throw()
{
T* tmp(ap);
ap = 0;
return tmp;
}
// reset value
void reset (T* ptr=0) throw()
{
if (ap != ptr)
{
delete ap;
ap = ptr;
}
}
// Special conversions-----------------------------------------------(5)
template<class Y>
struct auto_ptr_ref
{
Y* yp;
auto_ptr_ref (Y* rhs) : yp(rhs) {}
};
auto_ptr(auto_ptr_ref<T> rhs) throw() : ap(rhs.yp) { }
auto_ptr& operator= (auto_ptr_ref<T> rhs) throw()
{
reset(rhs.yp);
return *this;
}
template<class Y>
operator auto_ptr_ref<Y>() throw()
{
return auto_ptr_ref<Y>(release());
}
template<class Y>
operator auto_ptr<Y>() throw()
{
return auto_ptr<Y>(release());
}
};
}
1 構造函數與析構函數
auto_ptr在構造時獲取對某個對象的所有權(ownership),在析構時釋放該對象。我們可以這樣使用auto_ptr來提高代碼安全性：
int* p = new int(0);
auto_ptr<int> ap(p);
從此我們不必關心應該何時釋放p， 也不用擔心發生異常會有內存泄漏。
這里我們有幾點要注意：
1) 因為auto_ptr析構的時候肯定會刪除他所擁有的那個對象，所有我們就要注意了，一個蘿卜一個坑，兩個auto_ptr不能同時擁有同一個對象。像這樣：
int* p = new int(0);
auto_ptr<int> ap1(p);
auto_ptr<int> ap2(p);
因為ap1與ap2都認為指針p是歸它管的，在析構時都試圖刪除p, 兩次刪除同一個對象的行為在C++標準中是未定義的。所以我們必須防止這樣使用auto_ptr.
2) 考慮下面這種用法：
int* pa = new int[10];
auto_ptr<int> ap(pa);
因為auto_ptr的析構函數中刪除指針用的是delete,而不是delete [],所以我們不應該用auto_ptr來管理一個數組指針。
3) 構造函數的explicit關鍵詞有效阻止從一個“裸”指針隱式轉換成auto_ptr類型。
4) 因為C++保證刪除一個空指針是安全的， 所以我們沒有必要把析構函數寫成：
~auto_ptr() throw()
{
if(ap) delete ap;
}
2 拷貝構造與賦值
與引用計數型智能指針不同的，auto_ptr要求其對“裸”指針的完全占有性。也就是說一個”裸“指針不能同時被兩個以上的auto_ptr所擁有。那么，在拷貝構造或賦值操作時，我們必須作特殊的處理來保證這個特性。auto_ptr的做法是“所有權轉移”，即拷貝或賦值的源對象將失去對“裸”指針的所有權，所以，與一般拷貝構造函數，賦值函數不同， auto_ptr的拷貝構造函數，賦值函數的參數為引用而不是常引用(const reference).當然，一個auto_ptr也不能同時擁有兩個以上的“裸”指針，所以，拷貝或賦值的目標對象將先釋放其原來所擁有的對象。
這里的注意點是：
1) 因為一個auto_ptr被拷貝或被賦值后， 其已經失去對原對象的所有權，這個時候，對這個auto_ptr的提領(dereference)操作是不安全的。如下:
int* p = new int(0);
auto_ptr<int> ap1(p);
auto_ptr<int> ap2 = ap1;
cout<<*ap1; //錯誤，此時ap1只剩一個null指針在手了
這種情況較為隱蔽的情形出現在將auto_ptr作為函數參數按值傳遞，因為在函數調用過程中在函數的作用域中會產生一個局部對象來接收傳入的auto_ptr(拷貝構造)，這樣，傳入的實參auto_ptr就失去了其對原對象的所有權，而該對象會在函數退出時被局部auto_ptr刪除。如下：
void f(auto_ptr<int> ap){cout<<*ap;}
auto_ptr<int> ap1(new int(0));
f(ap1);
cout<<*ap1; //錯誤，經過f(ap1)函數調用，ap1已經不再擁有任何對象了。
因為這種情況太隱蔽，太容易出錯了， 所以auto_ptr作為函數參數按值傳遞是一定要避免的。或許大家會想到用auto_ptr的指針或引用作為函數參數或許可以，但是仔細想想，我們并不知道在函數中對傳入的auto_ptr做了什么， 如果當中某些操作使其失去了對對象的所有權， 那么這還是可能會導致致命的執行期錯誤。 也許，用const reference的形式來傳遞auto_ptr會是一個不錯的選擇。
2)我們可以看到拷貝構造函數與賦值函數都提供了一個成員模板在不覆蓋“正統”版本的情況下實現auto_ptr的隱式轉換。如我們有以下兩個類
class base{};
class derived: public base{};
那么下列代碼就可以通過，實現從auto_ptr<derived>到auto_ptr<base>的隱式轉換，因為derived*可以轉換成base*類型
auto_ptr<base> apbase = auto_ptr<derived>(new derived);
3) 因為auto_ptr不具有值語義(value semantic), 所以auto_ptr不能被用在stl標準容器中。
所謂值語義，是指符合以下條件的類型(假設有類A)：
A a1;
A a2(a1);
A a3;
a3 = a1;
那么
a2 == a1, a3 == a1
很明顯，auto_ptr不符合上述條件，而我們知道stl標準容器要用到大量的拷貝賦值操作，并且假設其操作的類型必須符合以上條件。
3 提領操作(dereference)
提領操作有兩個操作， 一個是返回其所擁有的對象的引用， 另一個是則實現了通過auto_ptr調用其所擁有的對象的成員。如：
struct A
{
void f();
}
auto_ptr<A> apa(new A);
(*apa).f();
apa->f();
當然， 我們首先要確保這個智能指針確實擁有某個對象，否則，這個操作的行為即對空指針的提領是未定義的。
4 輔助函數
1) get用來顯式的返回auto_ptr所擁有的對象指針。我們可以發現，標準庫提供的auto_ptr既不提供從“裸”指針到auto_ptr的隱式轉換(構造函數為explicit),也不提供從auto_ptr到“裸”指針的隱式轉換，從使用上來講可能不那么的靈活， 考慮到其所帶來的安全性還是值得的。
2) release,用來轉移所有權
3) reset，用來接收所有權，如果接收所有權的auto_ptr如果已經擁有某對象， 必須先釋放該對象。
5 特殊轉換
這里提供一個輔助類auto_ptr_ref來做特殊的轉換，按照標準的解釋， 這個類及下面4個函數的作用是：使我們得以拷貝和賦值non-const auto_ptrs， 卻不能拷貝和賦值const auto_ptrs. 我無法非常準確的理解這兩句話的意義，但根據我們觀察與試驗，應該可以這樣去理解：沒有這些代碼，我們本來就可以拷貝和賦值non-const的auto_ptr和禁止拷貝和賦值const的auto_ptr的功能， 只是無法拷貝和賦值臨時的auto_ptr(右值)， 而這些輔助代碼提供某些轉換，使我們可以拷貝和賦值臨時的auto_ptr，但并沒有使const的auto_ptr也能被拷貝和賦值。如下：
auto_ptr<int> ap1 = auto_ptr<int>(new int(0));
auto_ptr<int>(new int(0))是一個臨時對象，一個右值，一般的拷貝構造函數當然能拷貝右值，因為其參數類別必須為一個const reference, 但是我們知道，auto_ptr的拷貝函數其參數類型為reference，所以，為了使這行代碼能通過，我們引入auto_ptr_ref來實現從右值向左值的轉換。其過程為：
1) ap1要通過拷貝 auto_ptr<int>(new int(0))來構造自己
2) auto_ptr<int>(new int(0))作為右值與現有的兩個拷貝構造函數參數類型都無法匹配，也無法轉換成該種參數類型
3) 發現輔助的拷貝構造函數auto_ptr(auto_ptr_ref<T> rhs) throw()
4) 試圖將auto_ptr<int>(new int(0))轉換成auto_ptr_ref<T>
5) 發現類型轉換函數operator auto_ptr_ref<Y>() throw()， 轉換成功，從而拷貝成功。
從而通過一個間接類成功的實現了拷貝構造右值（臨時對象）
同時，這個輔助方法不會使const auto_ptr被拷貝， 原因是在第5步， 此類型轉換函數為non-const的，我們知道，const對象是無法調用non-const成員的， 所以轉換失敗。當然， 這里有一個問題要注意， 假設你把這些輔助轉換的代碼注釋掉，該行代碼還是可能成功編譯，這是為什么呢？debug一下， 我們可以發現只調用了一次構造函數，而拷貝構造函數并沒有被調用，原因在于編譯器將代碼優化掉了。這種類型優化叫做returned value optimization，它可以有效防止一些無意義的臨時對象的構造。當然，前提是你的編譯器要支持returned value optimization。
可見，auto_ptr短短百來行的代碼，還是包含了不少"玄機"的。
posted on 2007-07-05 17:48
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