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智能指针专题

程序员文章站 2024-01-03 08:58:28
...

一、智能指针

        内存泄漏是软件工程中常见的bug,在C++语言中,由于经常需要动态的申请堆空间,经常会忘记归还堆空间,C++语言没有垃圾回收机制(JAVA、Pathon有),所以指针无法控制所指向堆空间的生命周期。

        普通软件 -->太慢、重启

        服务器     -->越来越慢,无法使用

        智能指针的概念:指针生命周期结束时,主动释放堆空间;一片堆空间最多只能由一个指针标识;杜绝指针运算和指针比较。

        智能指针的设计方案:

        通过类模板描述指针的行为,这样就可以定义不同类型的指针和对象。

        重载指针特征操作符(--> 和 *),利用对象模拟原生指针的行为。

        智能指针——SmartPointer

编程实现:

template <typename T >
class SmartPointer : public Object
{
protected:
    T* m_pointer;  //将会指向T类型对象的地址
public:
    SmartPointer(T* p = NULL)
    {
        m_pointer = p;
    }

    SmartPointer( const SmartPointer<T>& obj)  //拷贝构造函数  形参为引用。可直接修改原对象
    {
        m_pointer = obj.m_pointer;  //仅仅这一句话,会有两个指针指向同一块空间

        const_cast< SmartPointer<T>& >(obj).m_pointer = NULL;  //取出CONST类型的只读属性,同一个堆空间只能有一个指针

    }

    SmartPointer<T>& operator= (const SmartPointer<T>& obj)  //重载赋值操作符
    {
        if( this != &obj) //避免自赋值
        {
            delete m_pointer;

            m_pointer = obj.m_pointer;

            const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).m_pointer = NULL;
        }

        return *this;  //返回自身,支持连续赋值
    }

    T* operator-> ()
    {
        return m_pointer;
    }

    T* operator* ()
    {
        return *m_pointer;
    }

    bool isNULL()
    {
        return (m_pointer == NULL);
    }

    T* get()
    {
        return m_pointer;
    }

    ~SmartPointer()  //智能指针的析构函数中直接归还堆空间
    {
        delete m_pointer;
    }

智能指针类编写完成后,在主函数中添加如下代码:

class Test
{
  public:
    Test()
    {
        cout << "Test" << endl;
    }

    ~Test()
    {
        cout << "~Test()" << endl;
    }
};

int main()
{    
    SmartPointer<Test> sp = new Test(); //指向一个test对象的地址
    SmartPointer<Test> nsp;

    nsp = sp;

    cout << sp.isNULL() << endl;
    cout << nsp.isNULL() <<endl;

    return 0;
}

运行结果如下:

智能指针专题

使用规则:创建的智能指针只能指向堆空间中的单个对象或者变量,不能指向数组和局部变量或者局部对象。

智能指针的意义在于最大程度地避免内存泄露。(通过对象来模拟指针的行为,用析构函数来释放申请的堆空间的内存)

二、再论智能指针

在单链表(LinkList)中,使用智能指针(SmartPointer)代替大量使用的原生指针可以吗?

不能。因为在智能指针使用规则中,一片堆空间最多只能由一个指针标识,而在单链表的类模板实现时,在遍历的时候,同时需要多个指针指向同一个数据元素!

新的设计方案——设计一个新的智能指针(SharedPointer)

设计Pointer类作为智能指针的抽象父类(模板):

智能指针专题

1、纯虚析构函数 virtual ~Pointer() = 0;

2、重载operator ->();

3、重载operator *();

新的设计方案:

template <typename T>
class Pointer : public Object
{
protected:
    T* m_pointer;
public:
    Pointer( T* p = NULL )
    {
        m_pointer = p;
    }

    T* operator-> ()
    {
        return m_pointer;
    }

    T& operator *()
    {
        return *m_pointer;
    }

    bool isNULL()
    {
        return (m_pointer == NULL);
    }

    T* get()
    {
       return m_pointer;
    }
};

Object的顶层父类是純虚的的,所以Pointer得析构函数在不自己实现的情况下,也是纯虚的。

实现Pointer()后,将SmartPointer进行部分修改。

SharedPointer设计要点——类模板

通过计数机制(ref)标识堆内存

堆空间被指向时,ref++;

指针被置空时,ref--;

ref == 0时,释放堆内存。

智能指针专题

注意:使用指针指向计算变量,即每一个堆空间的变量都对应着一个计数变量,且计数变量也是在堆空间创建的,生命周期一致,需要手动释放空间(free)。

由于SharedPointer支持多个对象同时指向一片堆空间,因此必须支持比较操作。

实现代码如下:


#include "Pointer.h"
#include <cstdlib>
#include "Exception.h"

namespace DTLib
{

template <typename T>
class SharedPointer : public Pointer<T>
{
protected:
    int* m_ref;  //指针指向计数变量 即每一个堆空间的变量都对应一个计数变量 且计数变量也是在堆上创建的,生命周期也是一致的
    //通过计数机制标识堆内存,堆内存被指向时,ref++,指针被置空时,ref--,释放堆内存时,ref == 0;

    void assign( const SharedPointer<T>& obj ) //函数封装赋值操作
    {
        this->m_ref = obj.m_ref;
        this->m_pointer = obj.m_pointer;

        if(  this->m_ref )  //指向的计数变量合法
        {
            (*this->m_ref)++; 
        }
    }

public:
    SharedPointer(T* p= NULL) : m_ref(NULL) //成员变量指向计数变量的指针并初始化
    {
        if( p )
        {
            this->m_ref = static_cast<int*>(std::malloc(sizeof(int)));

            if( this->m_ref)
            {
                *(this->m_ref) = 1; //意味着参数指针已经有一个计数变量来标志了
                this->m_pointer = p;
            }
            else
            {
                THROW_EXCEPTION(NoEnoughMemoryException,"nO memory to create SharedPointer object ...");
            }
        }
    }

    SharedPointer(const SharedPointer<T>& obj) : Pointer<T>(NULL)
    {
            assign(obj);   //拷贝构造函数中,要对计数变量继续自增!
    }

    SharedPointer<T>& operator =(const SharedPointer<T>& obj)
    {
        if( this != &obj)  //避免自赋值
        {
            clear();//将当前的智能指针对象置空,不让它指向任何堆空间

            assign(obj);
        }

        return *this;
    }

    void clear()
    {
        T* toDel = this->m_pointer;
        int* ref = this->m_ref;

        this->m_pointer = NULL;
        this->m_ref = NULL;

        if( ref )  //计算变量是否合法
        {
            (*ref)--;  //clear后减一

            if( *ref == 0)
            {
                free(ref);

                delete toDel;
            }
        }
    }

    ~SharedPointer()
    {
        clear();
    }


};

template < typename T>
bool operator == ( const SharedPointer<T>& l,const SharedPointer<T>& r)
{
    return (l.get() == r.get());
}

template < typename T>
bool operator != ( const SharedPointer<T>& l,const SharedPointer<T>& r)
{
    return !(l == r);  //使用相等比较来实现不相等
}

}

主函数代码:

class Test : public Object
{
public:
    int value;

    Test() : value(0)
    {
        cout<< "Test" <<endl;
    }

    ~Test()
    {
        cout<< "~Test" <<endl;
    }
};

int main()
{
    const SharedPointer<Test> sp0 = new Test();  //只读的

    //sp0->value = 100;  const变量不能赋值

    SharedPointer<Test> sp1 = sp0;
    SharedPointer<Test> sp2 = NULL;

    sp2 = sp1;

    sp2->value = 100;

    cout<< sp0->value << endl;  //多个指针指向同一片内存空间
    cout<< sp1->value << endl;
    cout<< sp2->value << endl;

    sp2.clear();

    cout << ( sp0 == sp1) <<endl;
    cout << ( sp0 == sp2) <<endl;

    sp1.clear();

    cout << ( sp0 == sp1) <<endl;
    cout << ( sp0 == sp2) <<endl;

    cout<< sp0->value << endl;

    //sp0.clear();  const变量
    //delete sp0; 不能使用delete释放智能指针指向的堆空间,不能释放两次。

    //cout<< "sp0->value" << endl;
    //cout<< sp0 << endl; //内存已经释放  指针被删除

    return 0;
}

智能指针的使用军规:

只能用来指向堆空间中的单个变量(对象);

不同类型的智能指针对象不能混合使用;

不要使用delete释放智能指针指向的堆空间










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