RAII和模拟实现智能指针

Posted 2020-07-05

• 什么叫RAII(Resource Acquisition Is Initialization)？
  

RAII指的就是资源分配即初始化，它的作用就是定义一个类来封装资源的分配和释放，在构造函数完成资源的分配和初始化，在析构函数完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放。它是一种技术。

• 为什么要使用RAII？

在堆上分配空间时，我们必须很仔细的申请并给出相应的释放语句，但是随着程序的复杂度增大，判断、循环、递归这样的语句会让程序走向不确定，很有可能出现申请了没释放，申请了多次释放。所以我们定义了一个类来封装资源的分配和释放。

• 那么什么叫智能指针呢？

智能指针是利用了RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。

• 智能指针的分类：

1、AutoPtr     (在函数库中都是小写加下划线，比如AutoPtr 函数库中为auto_ptr)

template <typename T>

class AutoPtr
{
public:
	AutoPtr(T* ptr=NULL):_ptr(ptr){}
	AutoPtr(AutoPtr<T>& t)
	{
	    _ptr=t._ptr;
	    t._ptr=NULL;
	}
	AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& t)
	{
		if(_ptr!=t._ptr)
		{
			if(_ptr){	delete _ptr;	}
			_ptr=t._ptr;
			t._ptr=NULL;
		}
		return *this;
	}
	T& operator*(){	return *_ptr;}
	T* operator->(){return _ptr;}

	~AutoPtr(){ if(_ptr)	{      delete _ptr;     }  }
private:
	T* _ptr;
};

AutoPtr可以new出空间后，不必delete，出了作用域后会自动释放。

表面上这看似完美，可现实并不是这样。它无法像指针那样同一块空间被多个指针指向，它只能有一个指针指向一块空间，当发生拷贝构造或者赋值运算符重载时，它会释放原先的指针。 

2、ScopedPtr

ScopedPtr实际上就是把AutoPtr的拷贝构造和赋值运算符的重载写成私有的，不让用户访问，这样就不会出现同一块空间被多个指针指向，但是这毕竟是治标不治本。

3、SharedPtr

template <class T>
class SharedPtr
{
public:
	SharedPtr(T* ptr=NULL)
		:_ptr(ptr)
		,_pcount(new int(1))
	{}
	SharedPtr( SharedPtr<T>& t)
	{
		_ptr=t._ptr;
		_pcount=t._pcount;
		(*_pcount)++;
	}
	SharedPtr<T>& operator=(SharedPtr<T>& t)
	{
		if(_ptr!=t._ptr)
		{
			if(--(*_pcount)==0)
			{
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
			_ptr=t._ptr;
			_pcount=t._pcount;
			++(*p_count);
		}
		return *this;
	}
	T& operator*(){	return *_ptr;	}
	T* operator->(){	return _ptr;	}
	~SharedPtr()
	{
		if(--(*_pcount)==0)
		{
			delete _ptr;
			delete _pcount;
		}
	}
private:
	T* _ptr;
	int* _pcount;   
};

为什么_pcount的类型是int*类型？

如果_pcount是int类型的，那么构造函数、拷贝构造函数和赋值运算符重载的代码应为:

SharedPtr(T* ptr = NULL):_ptr(ptr), _pcount(1){}
SharedPtr(SharedPtr<T>& t)
{
_ptr = t._ptr;
_pcount = t._pcount;
(_pcount)++;
}
SharedPtr<T>& operator=(SharedPtr<T>& t)
{
    if (_ptr != t._ptr)
    {
	if (--(_pcount) == 0)
	{
	    delete _ptr;
	 }
	_ptr = t._ptr;
	_pcount = t._pcount;
	++(_pcount);
    }
    return *this;
   }

SharedPtr<int> s = new int(1);          //引用计数为1
SharedPtr<int> s1(s);                //引用计数为2（s的引用计数仍为1）
SharedPtr<int> s2=new int (2);
s=s2;
cout<<*s1<<endl;  //正确输出为1，可是输出的却是一个随机值，因为s的引用计数始终为1，当运行到s=s3时，s在堆上分配的空间已经被释放了，所以s1指向的是被释放后的空间。

int类型有几个指针就会在栈上开辟几个_pcount。而int*类型时，只在堆上开辟1块空间来保存*_pcount的值，拷贝构造和赋值时都用的_pcount的地址取值后进行加减。

那为什么不用static int类型的呢？
看下面的例子:

SharedPtr<int> s1 = new int(1);             
SharedPtr<int> s2(s1); 
SharedPtr<int> s3 = new int(1);             
SharedPtr<int> s4(s3);

那么此时的引用计数变为了4，应为_pcount现在是所有对象共享的，定义一个对象就会+1，而我们的本意是让s1和s2共享一个_pcount，s3和s4共享一个_pcount。而int*可以做到这一点，当构造s1时申请一块空间实现引用计数，构造s2时引用计数+1。构造s3时再申请一块空间实现引用计数，构造s4时引用计数+1;

SharedPtr实现了引用计数，它支持复制，复制一个SharedPtr的本质是对这个智能指针的引用次数加1，而当这个智能指针的引用次数降低到0的时候，该对象自动被析构。

这样的SharedPtr依然存在着问题。

①如果shared_ptr引用关系中出现一个环，那么环上所述对象的引用次数都肯定不可能减为0，那么也就不会被删除。

struct ListNode
{
    int _value;
    SharedPtr<ListNode> _next;
    SharedPtr<ListNode> _prev;
    ListNode(int x):_value(x),_next(NULL),_prev(NULL){}
};
void Test()
{
    SharedPtr<Node> cur(new Node(1));
    SharedPtr<Node> next(new Node(2));
    cur -> _next = next;
    next -> _prev = cur;
}

上述例子中的对象引用计数不会减为0，所以不会调用析构，会造成内存泄漏。

实际上，在库函数中shared_ptr内部实现的时候维护的就不是一个引用计数，而是两个引用计数，一个表示strong reference，也就是用shared_ptr进行复制的时候进行的计数，一个是weak reference，也就是用weak_ptr进行复制的时候的计数。weak_ptr本身并不会增加strong reference的值，而strong reference降低到0，对象被自动析构，weak_ptr辅助了shared_ptr而没有增加引用计数。因此在一个环上只要把原来的某一个shared_ptr改成weak_ptr，实质上这个环就可以被打破了。

②模拟实现的SharedPtr只能用于new空间，并不能打开文件，这个时候可以用仿函数来解决这个问题。

template <class T>
struct FClose                    
{
     void operator () (T* ptr)           //重载()运算符，进行文件指针的释放。
    {
         fclose(ptr);
    }
};
template <class T>
struct Delete
{
public :
     void operator () (T* ptr)          //重载（）运算符，进行堆上空间的释放
    {
         delete ptr;
    }
};
template <class T,class DEL=Delete<T>>   //多传一个参数，默认为Delete<T>,即默认它是在堆上new出空间，需要用delete释放
class SharedPtr
{
public:
	SharedPtr(T* ptr=NULL)
		:_ptr(ptr)
		,_pcount(new int(1))
	{}
	SharedPtr( SharedPtr<T>& t)
	{
		_ptr=t._ptr;
		_pcount=t._pcount;
		(*_pcount)++;
	}
	SharedPtr<T>& operator=(SharedPtr<T>& t)
	{
		if(_ptr!=t._ptr)
		{
			if(--(*_pcount)==0)
			{
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
			_ptr=t._ptr;
			_pcount=t._pcount;
			++(*p_count);
		}
		return *this;
	}
	T& operator*(){	return *_ptr;	}
	T* operator->(){	return _ptr;	}
	~SharedPtr()
	{
		if(--(*_pcount)==0)
		{
			DEL()(_ptr);      //释放空间时，用DEL类型生成匿名对象调用()函数
			delete _pcount;
		}
	}
private:
	T* _ptr;
	int* _pcount;
};

当需要给文件指针定义时，只用多传一个参数就可以达到效果。

SharedPtr<FILE, FClose<FILE>> b= fopen("test.txt", "w");这样在析构时，就会调用FClose<FILE>()生成匿名对象，FClose<FILE>()(_ptr)然后调用FClose的()运算符重载函数。