By SmartPtr(http://www.shnenglu.com/SmartPtr/)
auto_ptr是當(dāng)前C++標(biāo)準(zhǔn)庫中提供的一種智能指針，或許相對(duì)于boost庫提供的一系列眼花繚亂的智能指針， 或許相對(duì)于Loki中那個(gè)無所不包的智能指針，這個(gè)不怎么智能的智能指針難免會(huì)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(cuò)，以至于它甚至無法適用于同是標(biāo)準(zhǔn)庫中的那么多的容器和一些算法，但即使如此，我們?nèi)匀徊荒芊裾J(rèn)這個(gè)小小的auto_ptr所蘊(yùn)含的價(jià)值與理念。
auto_ptr的出現(xiàn)，主要是為了解決“被異常拋出時(shí)發(fā)生資源泄漏”的問題。即如果我們讓資源在局部對(duì)象構(gòu)造時(shí)分配，在局部對(duì)象析構(gòu)時(shí)釋放。這樣即使在函數(shù)執(zhí)行過程時(shí)發(fā)生異常退出，也會(huì)因?yàn)楫惓Ｄ鼙ＷC局部對(duì)象被析構(gòu)從而保證資源被釋放。auto_ptr就是基于這個(gè)理念而設(shè)計(jì)， 這最早出現(xiàn)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(guān)章節(jié)的推動(dòng)下，被加入了C++標(biāo)準(zhǔn)庫。
下面我就列出auto_ptr的源代碼，并詳細(xì)講解每一部分。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)庫中的代碼要考慮不同編譯器支持標(biāo)準(zhǔn)的不同而插入了不少預(yù)編譯判斷，而且命名可讀性不是很強(qiáng)（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(gè)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(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù)
auto_ptr在構(gòu)造時(shí)獲取對(duì)某個(gè)對(duì)象的所有權(quán)(ownership),在析構(gòu)時(shí)釋放該對(duì)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(guān)心應(yīng)該何時(shí)釋放p， 也不用擔(dān)心發(fā)生異常會(huì)有內(nèi)存泄漏。
這里我們有幾點(diǎn)要注意：
1) 因?yàn)閍uto_ptr析構(gòu)的時(shí)候肯定會(huì)刪除他所擁有的那個(gè)對(duì)象，所有我們就要注意了，一個(gè)蘿卜一個(gè)坑，兩個(gè)auto_ptr不能同時(shí)擁有同一個(gè)對(duì)象。像這樣：
int* p = new int(0);
auto_ptr<int> ap1(p);
auto_ptr<int> ap2(p);
因?yàn)閍p1與ap2都認(rèn)為指針p是歸它管的，在析構(gòu)時(shí)都試圖刪除p, 兩次刪除同一個(gè)對(duì)象的行為在C++標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)閍uto_ptr的析構(gòu)函數(shù)中刪除指針用的是delete,而不是delete [],所以我們不應(yīng)該用auto_ptr來管理一個(gè)數(shù)組指針。
3) 構(gòu)造函數(shù)的explicit關(guān)鍵詞有效阻止從一個(gè)“裸”指針隱式轉(zhuǎn)換成auto_ptr類型。
4) 因?yàn)镃++保證刪除一個(gè)空指針是安全的， 所以我們沒有必要把析構(gòu)函數(shù)寫成：
~auto_ptr() throw()
{
if(ap) delete ap;
}
2 拷貝構(gòu)造與賦值
與引用計(jì)數(shù)型智能指針不同的，auto_ptr要求其對(duì)“裸”指針的完全占有性。也就是說一個(gè)”裸“指針不能同時(shí)被兩個(gè)以上的auto_ptr所擁有。那么，在拷貝構(gòu)造或賦值操作時(shí)，我們必須作特殊的處理來保證這個(gè)特性。auto_ptr的做法是“所有權(quán)轉(zhuǎn)移”，即拷貝或賦值的源對(duì)象將失去對(duì)“裸”指針的所有權(quán)，所以，與一般拷貝構(gòu)造函數(shù)，賦值函數(shù)不同， auto_ptr的拷貝構(gòu)造函數(shù)，賦值函數(shù)的參數(shù)為引用而不是常引用(const reference).當(dāng)然，一個(gè)auto_ptr也不能同時(shí)擁有兩個(gè)以上的“裸”指針，所以，拷貝或賦值的目標(biāo)對(duì)象將先釋放其原來所擁有的對(duì)象。
這里的注意點(diǎn)是：
1) 因?yàn)橐粋€(gè)auto_ptr被拷貝或被賦值后， 其已經(jīng)失去對(duì)原對(duì)象的所有權(quán)，這個(gè)時(shí)候，對(duì)這個(gè)auto_ptr的提領(lǐng)(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(cuò)誤，此時(shí)ap1只剩一個(gè)null指針在手了
這種情況較為隱蔽的情形出現(xiàn)在將auto_ptr作為函數(shù)參數(shù)按值傳遞，因?yàn)樵诤瘮?shù)調(diào)用過程中在函數(shù)的作用域中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部對(duì)象來接收傳入的auto_ptr(拷貝構(gòu)造)，這樣，傳入的實(shí)參auto_ptr就失去了其對(duì)原對(duì)象的所有權(quán)，而該對(duì)象會(huì)在函數(shù)退出時(shí)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(cuò)誤，經(jīng)過f(ap1)函數(shù)調(diào)用，ap1已經(jīng)不再擁有任何對(duì)象了。
因?yàn)檫@種情況太隱蔽，太容易出錯(cuò)了， 所以auto_ptr作為函數(shù)參數(shù)按值傳遞是一定要避免的。或許大家會(huì)想到用auto_ptr的指針或引用作為函數(shù)參數(shù)或許可以，但是仔細(xì)想想，我們并不知道在函數(shù)中對(duì)傳入的auto_ptr做了什么， 如果當(dāng)中某些操作使其失去了對(duì)對(duì)象的所有權(quán)， 那么這還是可能會(huì)導(dǎo)致致命的執(zhí)行期錯(cuò)誤。 也許，用const reference的形式來傳遞auto_ptr會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
2)我們可以看到拷貝構(gòu)造函數(shù)與賦值函數(shù)都提供了一個(gè)成員模板在不覆蓋“正統(tǒng)”版本的情況下實(shí)現(xiàn)auto_ptr的隱式轉(zhuǎn)換。如我們有以下兩個(gè)類
class base{};
class derived: public base{};
那么下列代碼就可以通過，實(shí)現(xiàn)從auto_ptr<derived>到auto_ptr<base>的隱式轉(zhuǎn)換，因?yàn)閐erived*可以轉(zhuǎn)換成base*類型
auto_ptr<base> apbase = auto_ptr<derived>(new derived);
3) 因?yàn)閍uto_ptr不具有值語義(value semantic), 所以auto_ptr不能被用在stl標(biāo)準(zhǔn)容器中。
所謂值語義，是指符合以下條件的類型(假設(shè)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(biāo)準(zhǔn)容器要用到大量的拷貝賦值操作，并且假設(shè)其操作的類型必須符合以上條件。
3 提領(lǐng)操作(dereference)
提領(lǐng)操作有兩個(gè)操作， 一個(gè)是返回其所擁有的對(duì)象的引用， 另一個(gè)是則實(shí)現(xiàn)了通過auto_ptr調(diào)用其所擁有的對(duì)象的成員。如：
struct A
{
void f();
}
auto_ptr<A> apa(new A);
(*apa).f();
apa->f();
當(dāng)然， 我們首先要確保這個(gè)智能指針確實(shí)擁有某個(gè)對(duì)象，否則，這個(gè)操作的行為即對(duì)空指針的提領(lǐng)是未定義的。
4 輔助函數(shù)
1) get用來顯式的返回auto_ptr所擁有的對(duì)象指針。我們可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)庫提供的auto_ptr既不提供從“裸”指針到auto_ptr的隱式轉(zhuǎn)換(構(gòu)造函數(shù)為explicit),也不提供從auto_ptr到“裸”指針的隱式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移所有權(quán)
3) reset，用來接收所有權(quán)，如果接收所有權(quán)的auto_ptr如果已經(jīng)擁有某對(duì)象， 必須先釋放該對(duì)象。
5 特殊轉(zhuǎn)換
這里提供一個(gè)輔助類auto_ptr_ref來做特殊的轉(zhuǎn)換，按照標(biāo)準(zhǔn)的解釋， 這個(gè)類及下面4個(gè)函數(shù)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(zhǔn)確的理解這兩句話的意義，但根據(jù)我們觀察與試驗(yàn)，應(yīng)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(shí)的auto_ptr(右值)， 而這些輔助代碼提供某些轉(zhuǎn)換，使我們可以拷貝和賦值臨時(shí)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(gè)臨時(shí)對(duì)象，一個(gè)右值，一般的拷貝構(gòu)造函數(shù)當(dāng)然能拷貝右值，因?yàn)槠鋮?shù)類別必須為一個(gè)const reference, 但是我們知道，auto_ptr的拷貝函數(shù)其參數(shù)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(shí)現(xiàn)從右值向左值的轉(zhuǎn)換。其過程為：
1) ap1要通過拷貝 auto_ptr<int>(new int(0))來構(gòu)造自己
2) auto_ptr<int>(new int(0))作為右值與現(xiàn)有的兩個(gè)拷貝構(gòu)造函數(shù)參數(shù)類型都無法匹配，也無法轉(zhuǎn)換成該種參數(shù)類型
3) 發(fā)現(xiàn)輔助的拷貝構(gòu)造函數(shù)auto_ptr(auto_ptr_ref<T> rhs) throw()
4) 試圖將auto_ptr<int>(new int(0))轉(zhuǎn)換成auto_ptr_ref<T>
5) 發(fā)現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)operator auto_ptr_ref<Y>() throw()， 轉(zhuǎn)換成功，從而拷貝成功。
從而通過一個(gè)間接類成功的實(shí)現(xiàn)了拷貝構(gòu)造右值（臨時(shí)對(duì)象）
同時(shí)，這個(gè)輔助方法不會(huì)使const auto_ptr被拷貝， 原因是在第5步， 此類型轉(zhuǎn)換函數(shù)為non-const的，我們知道，const對(duì)象是無法調(diào)用non-const成員的， 所以轉(zhuǎn)換失敗。當(dāng)然， 這里有一個(gè)問題要注意， 假設(shè)你把這些輔助轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)只調(diào)用了一次構(gòu)造函數(shù)，而拷貝構(gòu)造函數(shù)并沒有被調(diào)用，原因在于編譯器將代碼優(yōu)化掉了。這種類型優(yōu)化叫做returned value optimization，它可以有效防止一些無意義的臨時(shí)對(duì)象的構(gòu)造。當(dāng)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(jī)"的。
posted on 2007-07-05 17:48
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