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STL中的智能指针(Smart Pointer)及其源码剖析: std::auto_ptr

2019-11-08 02:00:56
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供稿:网友

STL中的智能指针(Smart Pointer)及其源码剖析: std::auto_ptr

auto_ptr是STL中的智能指针家族的成员之一, 它管理由new exPRession获得的对象,在auto_ptr对象销毁时,他所管理的对象也会自动被delete` 掉。auto_ptr的拷贝构造函数和拷贝赋值会改变 right hand value,并且拷贝的副本不会等于原始的、被拷贝的那个auto_ptr对象的值。(实际上,auto_ptr` 的拷贝构造函数和拷贝赋值函数会让 left hand value 接管 right hand value 所管理的对象。)由于不一样的拷贝语义, auto_ptr 不适用于标准容器, 因此,更建议使用std::unique_ptr

一. auto_ptr 的使用

1. auto_ptr 的声明

//(until C++17) //(deprecated since C++11) template<class T> class auto_ptr; template<> class auto_ptr<void>;

2. auto_ptr 的构造函数

//deprecated... explicit auto_ptr(X* p = 0); (1) auto_ptr(auto_ptr& r); (2) template<class Y> (3) auto_ptr<auto_ptr<Y>& r); template<class Y> (4) auto_ptr(auto_ptr_ref<Y> m);

(1) 构造 auto_ptr 对象, 让它管理 p 指向的对象。 (2) 构造 auto_ptr 对象,让它接管 r 管理的对象。实际上新的 auto_ptr 对象是靠 r.release() 函数获得管理权的。因此,r 失去了管理权。 (3) 这个构造函数和 (2) 类似, 主要针对能隐式转换为 T* 类型的 Y*。 (4) 构造 auto_ptr 对象, 让它接管 auto_ptr_ref<Y> 类型的 m 管理的对象。而m 是通过 p.release()auto_ptr 对象 p 中获取管理权的。

Q: what is auto_ptr_ref, what it achieves and how it achieves it ?

A: It is rather confusing. Basically, auto_ptr_ref exists because the auto_ptr copy constructor isn’t really a copy constructor in the standard sense of the Word.

Copy constructors typically have a signature that looks like this:

X(const X &b); The auto_ptr copy constructor has a signature that looks like this:

X(X &b) This is because auto_ptr needs to modify the object being copied from in order to set its pointer to 0 to facilitate the ownership semantics of auto_ptr.

Sometimes, temporaries cannot match a copy constructor that doesn’t declare its argument const. This is where auto_ptr_ref comes in. The compiler won’t be able to call the non-const version of the copy constructor, but it can call the conversion Operator. The conversion operator creates an auto_ptr_ref object that’s just sort of a temporary holder for the pointer. The auto_ptr constructor or operator = is called with the auto_ptr_ref argument.

If you notice, the conversion operator in auto_ptr that automatically converts to an auto_ptr_ref does a release on the source auto_ptr, just like the copy constructor does.

It’s kind of a weird little dance that happens behind the scenes because auto_ptr modifies the thing being copied from.

简单地总结: auto_ptr_ref 主要解决用右值来构造 auto_ptr 的情况。 因为, auto_ptr(auto_ptr& r) 构造函数只能以左值引用做参数。当右值来构造 auto_ptr_ref 的时候,实际上实现过程如下(这其实是移动语义的早期实现版本): SmartPtr_auto_ptr

3. auto_ptr的析构函数: 销毁管理的对象。

~auto_ptr(); // deprecated

4. 拷贝赋值函数

//deprecated auto_ptr& operator=(auto_ptr& r); (1) template<class Y> (2) auto_ptr& operator=(auto_ptr<Y>& r); auto_ptr& operator=(auto_ptr_ref m); (3)

auto_ptr 的拷贝赋值函数会让 left hand value 接管 right hand value 所管理的对象。

5. 隐式类型转换函数

//deprecated... template<class Y> (1) operator auto_ptr_ref<Y>(); template<class Y> (2) operator auto_ptr<Y>();

(1) 将该对象隐式转换为 auto_ptr_ref<Y> 类型。 (2) 将该对象隐式转换为 auto_ptr<Y> 类型。

6. 其他函数(auto_ptr::get, auto_ptr::operator*、auto_ptr::operator->, auto_ptr::reset, auto_ptr::release)

//deprecated... T* get() const; (1) T& operator*() const; (2) T* operator->() const; (3) void reset(T* p = 0); (4) T* release(); (5)

(1) 返回该 *this 所管理对象的指针。 (2) 返回该 *this 所管理对象。 (3) 返回该 *this 所管理对象的指针。 (4) 让 *this 管理 p 所指向的对象,如果 *this 已有管理的对象,则先 delete 掉当前管理的对象。 (5) 移交出 *this 所管理对象的管理权。返回 *this 所管理对象的指针,并将 *this 内部的指针置为空。

7. 例子

代码

#include <iostream>#include <string>#include <memory>using namespace std;// 展示测试结果 template<class Ty>void Test(auto_ptr<Ty>& showPtr, string name, string hint){ cout << hint; if(showPtr.get() == nullptr) cout << name << ".get() == nullptr" << endl; else cout << "*" << name << ".get() == " << *showPtr.get() << endl; }// for test...class Base{public: Base(double pi = 0.0) : m_pi(pi){ //... } virtual void ShowName() const { cout << "Base Object"; } double m_pi;};class Derive : public Base{public: virtual void ShowName() const { cout << "Derive Object"; }};ostream& operator<<(ostream& os, const Base& b){ b.ShowName(); return os;}ostream& operator<<(ostream& os, const Derive& b){ b.ShowName(); return os;}int main(){ // 构造函数... // explicit auto_ptr(X* p = 0); (1) auto_ptr<int> intPtr1; Test(intPtr1, "intPtr1", "explicit auto_ptr(X* p = 0).../n"); int* ptr = new int(2); auto_ptr<int> intPtr2(ptr); Test(intPtr2, "intPtr2", ""); Derive* dp = new Derive; auto_ptr<Derive> dptr(dp); Test(dptr, "dptr", ""); cout << endl; // auto_ptr(auto_ptr& r); (2) auto_ptr<int> intPtr3(intPtr2); Test(intPtr3, "intPtr3", "auto_ptr(auto_ptr& r).../n"); Test(intPtr2, "intPtr2", "intPtr2 失去了对 ptr 的控制权: "); cout << endl; // template<class Y> (3) // auto_ptr<auto_ptr<Y>& r); auto_ptr<Base> bPtr(dptr); Test(bPtr, "bPtr", "template<class Y> auto_ptr<auto_ptr<Y>& r).../n"); Test(dptr, "dptr", "dptr 失去了对 dp 的控制权: "); cout << endl; // template<class Y> (4) // auto_ptr(auto_ptr_ref<Y> m); auto_ptr_ref<string> ptrRef(new string("many strings")); auto_ptr<string> strPtr(ptrRef); Test(strPtr, "strPtr", "template<class Y> auto_ptr(auto_ptr_ref<Y> m).../n"); cout << endl; // 拷贝赋值函数 // auto_ptr& operator=(auto_ptr& r); (1) auto_ptr<int> intPtr4; intPtr4 = intPtr3; Test(intPtr4, "intPtr4", "auto_ptr& operator=(auto_ptr& r).../n"); Test(intPtr3, "intPtr3", "intPtr3 失去了对 ptr 的控制权: "); cout << endl; // template<class Y> (2) // auto_ptr& operator=(auto_ptr<Y>& r); auto_ptr<Derive> derivePtr(new Derive); Test(derivePtr, "derivePtr", "template<class Y> auto_ptr& operator=(auto_ptr<Y>& r).../n"); auto_ptr<Base> basePtr; basePtr = derivePtr; Test(basePtr, "basePtr", "basePtr 获得了控制权....../n"); Test(derivePtr, "derivePtr", "derivePtr 失去了控制权.../n"); cout << endl; // auto_ptr& operator=(auto_ptr_ref m); (3) auto_ptr_ref<string> strPtrRef(new string("auto_ptr_ref strings")); auto_ptr<string> strAutoPtr; strAutoPtr = strPtrRef; Test(strAutoPtr, "strAutoPtr", "auto_ptr& operator=(auto_ptr_ref m).../n"); cout << endl; // 其他函数 // T* get() const; (1) int* pAddr = new int(5); cout << "pAddr = " << pAddr << endl; auto_ptr<int> addr(pAddr); cout << "addr.get() = " << addr.get() << endl; cout << endl; // T& operator*() const; (2) cout << "*pAddr = " << *pAddr << endl; cout << "*addr.get() = " << *addr.get() << endl; cout << endl; // T* operator->() const; (3) Base* pBase = new Base(3.14159); auto_ptr<Base> spBase(pBase); cout << "pBase->m_pi = " << pBase->m_pi << endl; cout << "spBase->m_pi = " << spBase->m_pi << endl; cout << endl; // void reset(T* p = 0); (4) intPtr4.reset(new int(-1)); Test(intPtr4, "intPtr4", "void reset(T* p = 0).../n"); // T* release(); (5) intPtr4.release(); Test(intPtr4, "intPtr4", "T* release().../n"); cout << endl; return 0;}

运行结果:

SmartPtr_auto_ptr_test

二. auto_ptr 源码剖析(源码出自 VS2015)

1. 辅助类 auto_ptr_ref 的源码

template<class _Ty> struct auto_ptr_ref { // proxy reference for auto_ptr copying explicit auto_ptr_ref(_Ty *_Right) : _Ref(_Right) { // construct from generic pointer to auto_ptr ptr } _Ty *_Ref; // generic pointer to auto_ptr ptr };

这个辅助类的源码比较简单, 没有什么说的。前面也分析过了,这个辅助类其实是为了帮助 auto_ptr 完成右值引用传参而设计的。

2. auto_ptr 构造函数的源码

typedef auto_ptr<_Ty> _Myt; // 管理类的类型 typedef _Ty element_type; // 被管理元素的类型 explicit auto_ptr(_Ty *_Ptr = 0) (1) : _Myptr(_Ptr) { // construct from object pointer } auto_ptr(_Myt& _Right) (2) : _Myptr(_Right.release()) { // construct by assuming pointer from _Right auto_ptr } template<class _Other> (3) auto_ptr(auto_ptr<_Other>& _Right) : _Myptr(_Right.release()) { // construct by assuming pointer from _Right } auto_ptr(auto_ptr_ref<_Tp> Right) (4) : _Myptr(Right._Ref) {}

其中, auto_ptr 的成员变量 _Ty *_Myptr 指向被它管理的对象。 (1) 从原始指针中获取控制权。注意,由源码可知, auto_ptr 并没有将原始指针的控制权剥夺(从实现来看, 也不能剥夺, 因为 Ptr 不是指针引用,无法更改原始指针的指向),原始指针仍然保有对其资源的控制权。但是,该资源的释放权实际上已经交给了 auto_ptr 对象。如:

int* ptr = new int(3); auto_ptr<int> autoPtr(ptr); //error: 在 autoPtr 生命期结束后会释放ptr指向的资源。 //如果在这里释放资源, 在 autoPtr 生命期结束后就会崩溃。 delete ptr;

(2) 从 auto_ptr 对象中夺取对资源的控制权。由源码可知, _Right 将不再保有对其资源的控制。注意,这里是左值引用参数,不能接收右值参数。 (3) 与 (2) 类似。是针对可转换为 _Ty* 类型的 _Other* 类型的构造函数。 (4) 这个构造函数的参数是 auto_ptr_ref<_Ty> 类型的。注意,它不是左值引用类型的参数,因此可以接收右值类型。这也是右值传参的必经之路。

3. auto_ptr 析构函数的源码

~auto_ptr() { // destroy the object delete _Myptr; }

4. auto_ptr 拷贝赋值函数的源码

_Myt& operator=(_Myt& _Right) (1) { // assign compatible _Right (assume pointer) reset(_Right.release()); return (*this); } template<class _Other> (2) _Myt& operator=(auto_ptr<_Other>& _Right) { // assign compatible _Right (assume pointer) reset(_Right.release()); return (*this); } _Myt& operator=(auto_ptr_ref<_Ty> _Right) (3) { // assign compatible _Right._Ref (assume pointer) _Ty *_Ptr = _Right._Ref; _Right._Ref = 0; // release old reset(_Ptr); // set new return (*this); }

这里涉及到解决“自我赋值”(assignment to self)的问题,详情请参阅《Effective C++》 Item 11: Handle assignment to self in operator=。 (1) 将同类型的 _Right 管理的资源移交给 *this。其中,reset(_Right.release()) 先将 _Right 的资源以返回值的形式移交,然后设置给 *this, 这样就防止了“自我赋值”的时候出现问题。(如果 *this 就是 _Right, 那么执行完 _Right.release() 后, *this 管理的资源已经以返回值的形式移交出来作为参数,然后又 reset 给了自己)注意,这里是左值引用参数,不能接收右值参数。 (2) 与(1)类似。是针对可转换为 _Ty* 类型的 _Other* 类型的拷贝函数。 (3) 将一个 auto_ptr_ref 类型的变量赋值给 *this, 实际上是将资源的控制权移交给 *this。这同样是为了传右值参数而设计的。这个函数体内冗余的代码同样是为了防止 _Right._Ref 等于 _Myptr 的情况。

5. auto_ptr 隐式类型转换函数

template<class _Other> (1) operator auto_ptr_ref<_Other>() { // convert to compatible auto_ptr_ref _Other *_Cvtptr = _Myptr; // test implicit conversion auto_ptr_ref<_Other> _Ans(_Cvtptr); _Myptr = 0; // pass ownership to auto_ptr_ref return (_Ans); } template<class _Other> (2) operator auto_ptr<_Other>() { // convert to compatible auto_ptr return (auto_ptr<_Other>(*this)); }

(1) auto_ptrauto_ptr_ref 的隐式转换函数。 由源码可知,该隐式转换也会剥夺 *this 对资源的管理权。 这个转换虽然代码短小,但是能量巨大, 右值类型的 auto_ptr 作参数传递时,全靠这个转换函数来起到周转的作用。当然,现在新的C++标准有更好的方法来解决这个问题 —— 右值引用。 (2) 可转换的类型…

6. auto_ptr 其他函数

_Ty *get() const (1) {// return wrapped pointer return (_Myptr); } _Ty& operator*() const (2) { // return designated value if (_Myptr == 0) _DEBUG_ERROR("auto_ptr not dereferencable"); return (*get()); } _Ty *operator->() const (3) { // return pointer to class object if (_Myptr == 0) _DEBUG_ERROR("auto_ptr not dereferencable"); return (get()); } void reset(_Ty *_Ptr = 0) (4) { // destroy designated object and store new pointer if (_Ptr != _Myptr) delete _Myptr; _Myptr = _Ptr; } _Ty *release() (5) { // return wrapped pointer and give up ownership _Ty *_Tmp = _Myptr; _Myptr = 0; return (_Tmp); }

(1) 获取 *this 所管理资源的指针, 这个没什么说的。 (2) 重载 operator*() 操作符,让 *this 有指针的行为。 (3) 重载 operator->() 操作符,让 *this 有指针的行为。 (4) 重新设置 *this 管理的资源, 当然在此之前要将 *this 管理的资源释放掉。类似于 operator= 的检查,如果_Ptr 指向的资源就是 *this 管理的资源,就忽略这个操作。否则会提前释放资源。 (5) *this 移交出管理权,并将资源的指针返回。因此需要先记录下资源的地址,然后将 *this 指向资源的指针置为空,最后返回资源的地址。

三. 总结

auto_ptr 用以 RAII(Resource Acquisition Is Initialization) 思想实现对资源的管理(详情可参考《Effective C++》Item 13: Use objects to manage resources)。但auto_ptr 属于该思想实现的早期版本,现在的标准库已经不推荐使用该工具了。但是,了解auto_ptr 的功能和实现还是有必要的,其一是,它相当于是其它更复杂智能指针的简化版本,源码简单,容易上手,对后面学习其它智能指针做铺垫; 其二是, 学习 auto_ptr 可以让那个我们对 RAII 思想有所领悟。

四. 参考文献

Scott Meyers 著, 侯捷译《Effective C++》cppreference.comVS2015 相关源码

五. 推荐阅读

关于右值: cppreference.com关于值类型的详细解读:lvalue,rvalue,xvalue,prvalue,glvalue关于右值引用: C++11移动语义探讨——从临时对象到右值引用
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