復雜的東西寫多了，如今寫點簡單的好了。由于功能上的需要，Vczh Library++3.0被我搞得很離譜。為了開發維護的遍歷、減少粗心犯下的錯誤以及增強單元測試、回歸測試和測試工具，因此記錄下一些開發上的小技巧，以便拋磚引玉，造福他人。歡迎高手來噴，菜鳥膜拜。
今天是關于內存的最后一篇了。上一篇文章講了為什么不能對一個東西隨便memset。里面的demo代碼出了點小bug，不過我不喜歡在發文章的時候里面的demo代碼也拿去編譯和運行，所以大家有什么發現的問題就評論吧。這樣也便于后來的人不會受到誤導。這次說的仍然是構造函數和析構函數的事情，不過我們將通過親手開發一個智能指針的方法，知道引用計數如何幫助管理資源，以及錯誤使用引用計數的情況。
首先先來看一下智能指針是如何幫助我們管理內存的。現在智能指針的實現非常多，我就假設這個類型叫Ptr<T>吧。這跟Vczh Library++ 3.0所使用的實現一樣。
1 class Base
2 {
3 public:
4 virtual ~Base(){}
5 };
6
7 class Derived1 : public Base
8 {
9 };
10
11 class Derived2 : public Base
12 {
13 };
14
15 //---------------------------------------
16
17 List<Ptr<Base>> objects;
18 objects.Add(new Derived1);
19 objects.Add(new Derived2);
20
21 List<Ptr<Base>> objects2;
22 objects2.Add(objects[0]);
當然這里的List也是Vczh Library++3.0實現的，不過這玩意兒跟vector也好跟C#的List也好都是一個概念，因此也就不需要多加解釋了。我們可以看到智能指針的一個好處，只要沒有循環引用出現，你無論怎么復制它，最終總是可以被析構掉的。另一個例子告訴我們智能指針如何處理類型轉換：
1 Ptr<Derived1> d1=new Derived1;
2 Ptr<Base> b=d1;
3 Ptr<Derived2> d2=b.Cast<Derived2>();
4 // d2是空，因為b指向的是Derived1而不是Derived2。
這就如同我們Derived1*可以隱式轉換到Base*，而當你使用dynamic_cast<Derived2*>(static_cast<Base*>(new Derived1))會得到0一樣。智能指針在幫助我們析構對象的同時，也要做好類型轉換的工作。
好了，現在先讓我們一步一步做出那個Ptr<T>。我們需要清楚這個智能指針所要實現的功能是什么，然后我們一個一個來做。首先讓我們列出一張表：
1、沒有參數構造的時候，初始化為空
2、使用指針構造的時候，擁有那個指針，并且在沒有任何智能指針指向那個指針的時候刪除掉該指針。
3、智能指針進行復制的時候，兩個智能指針共同擁有該內部指針。
4、智能指針可以使用新的智能指針或裸指針重新賦值。
5、需要支持隱式指針類型轉換，static_cast不支持而dynamic_cast支持的轉換則使用Cast<T2>()成員函數來解決。
6、如果一個裸指針直接用來創建兩個智能指針的話，期望的情況是當兩個智能指針析構掉的時候，該指針會被delete兩次從而崩潰。
7、不處理循環引用。
最后兩點實際上是錯誤使用智能指針的最常見的兩種情況。我們從1到5一個一個實現。首先是1。智能指針可以隱式轉換成bool，可以通過operator->()拿到內部的T*。在沒有使用參數構造的時候，需要轉換成false，以及拿到0：
1 template<typename T>
2 class Ptr
3 {
4 private:
5 T* pointer;
6 int* counter;
7
8 void Increase()
9 {
10 if(counter)++*counter;
11 }
12
13 void Decrease()
14 {
15 if(counter && --*counter==0)
16 {
17 delete counter;
18 delete pointer;
19 counter=0;
20 pointer=0;
21 }
22 }
23
24 public:
25 Ptr():pointer(0),counter(0)
26 {
27 }
28
29 ~Ptr()
30 {
31 Decrease();
32 }
33
34 operator bool()const
35 {
36 return counter!=0;
37 }
38
39 T* operator->()const
40 {
41 return pointer;
42 }
43 };
在這里我們實現了構造函數和析構函數。構造函數把內部指針和引用計數的指針都初始化為空，而析構函數則進行引用計數的減一操作。另外兩個操作符重載很容易理解。我們主要來看看Increase函數和Decrease函數都分別做了什么。Increase函數在引用計數存在的情況下，把引用計數加一。而Decrease函數在引用計數存在的情況下，把引用計數減一，如果引用計數在減一過程中變成了0，則刪掉擁有的資源。
當然到了這個時候智能指針還不能用，我們必須替他加上復制構造函數，operator=操作符重載以及使用指針賦值的情況。首先讓我們來看使用指針賦值的話我們應該加上什么：
1 Ptr(T* p):pointer(0),counter(0)
2 {
3 *this=p;
4 }
5
6 Ptr<T>& operator=(T* p)
7 {
8 Decrease();
9 if(p)
10 {
11 pointer=p;
12 counter=new int(1);
13 }
14 else
15 {
16 pointer=0;
17 counter=0;
18 }
19 return *this;
20 }
這里還是偷工減料了的，構造函數接受了指針的話，還是轉給operator=去調用了。當一個智能指針被一個新指針賦值的時候，我們首先要減掉一個引用計數，因為原來的指針再也不被這個智能指針共享了。之后就進行判斷，如果來的是0，那么就變成空。如果不是0，就擁有該指針，引用計數初始化成1。于是我們就可以這么使用了：
1 Ptr<Base> b=new Derived1;
2 Ptr<Derived2> d2=new Derived2;
讓我們開始復制他們吧。復制的要領是，先把之前擁有的指針脫離掉，然后連接到一個新的智能指針上面去。我們知道非空智能指針有多少個，總的引用計數的和就是多少，只是分配到各個指針上面的數字不一樣而已：
1 Ptr(const Ptr<T>& p):pointer(p.pointer),counter(p.counter)
2 {
3 Increase();
4 }
5
6 Ptr<T>& operator=(const Ptr<T>& p)
7 {
8 if(this!=&p)
9 {
10 Decrease();
11 pointer=p.pointer;
12 counter=p.counter;
13 Increase();
14 }
15 return *this;
16 }
在上一篇文章有朋友指出重載operator=的時候需要考慮是不是自己賦值給自己，其實這是很正確的。我們寫每一類的時候，特別是當類擁有自己控制的資源的時候，需要非常注意這件事情。當然如果只是復制幾個對象而不會new啊delete還是close什么handle，那檢查不檢查也無所謂了。在這里我們非常清楚，當增加一個新的非空智能指針的時候，引用計數的總和會加一。當修改一個非空智能指針的結果也是非空的時候，引用計數的和保持不變。當然這是應該的，因為我們需要在所有非空智能指針都被毀掉的時候，釋放受保護的所有資源。
到了這里一個智能指針基本上已經能用了，但是還不能處理父類子類的情況。這個是比較麻煩的，一個Ptr<Derived>事實上沒有權限訪問Ptr<Base>的內部對象。因此我們需要通過友元類來解決這個問題。現在讓我們來添加兩個新的函數吧，從一個任意的Ptr<C>復制到Ptr<T>，然后保證只有當C*可以隱式轉換成T*的時候編譯能夠通過：
1 template<X> friend class Ptr;
2
3 template<typename C>
4 Ptr(const Ptr<C>& p):pointer(p.pointer),counter(p.counter)
5 {
6 Increase();
7 }
8
9 template<typename C>
10 Ptr<T>& operator=(const Ptr<C>& p)
11 {
12 Decrease();
13 pointer=p.pointer;
14 counter=p.counter;
15 Increase();
16 return *this;
17 }
注意這里我們的operator=并不用檢查是不是自己給自己賦值，因為這是兩個不同的類，相同的話會調用上面那個operator=的。如果C*不能隱式轉換到T*的話，這里的pointer=p.pointer就會失敗，從而滿足了我們的要求。
現在我們能夠做的事情就更多了：
1 Ptr<Derived1> d1=new Derived1;
2 Ptr<Base> b=d1;
于是我們只剩下最后一個Cast函數了。這個函數內部使用dynamic_cast來做判斷，如果轉換失敗，會返回空指針：
1 tempalte<typename C>
2 Ptr<C> Cast()const
3 {
4 C* converted=dynamic_cast<C*>(pointer);
5 Ptr<C> result;
6 if(converted)
7 {
8 result.pointer=converted;
9 result.counter=counter;
10 Increase();
11 }
12 return result;
13 }
這是一種hack的方法，平時是不鼓勵的……不過因為操作的都是Ptr，而且特化Ptr也是使用錯誤的一種，所以這里就不管了。我們會檢查dynamic_cast的結果，如果成功了，那么會返回一個非空的新智能指針，而且這個時候我們也要記住Increase一下。
好了，基本功能就完成了。當然一個智能指針還要很多其他功能，譬如說比較什么的，這個就你們自己搞定哈。
指針和內存就說到這里了，下一篇講如何利用一個好的IDE構造輕量級單元測試系統。我們都說好的工具能夠提高生產力，因此這種方法不能脫離一個好的IDE使用。
posted on 2010-06-23 23:03
陳梓瀚(vczh) 閱讀(9889)
評論(15) 編輯 收藏 引用 所屬分類:
C++實用技巧