杂文(二)智能指针设计思路

继续从杂文(一)智能指针说起,上次分析完指针的常见问题,那我们怎么样设计,才能使智能指针很智能的解决那些问题呢,从以下几个点说起:

  第一个没有初始化的问题很好解决,只要智能指针在创建时置为null即可。
  第二个问题是实现new和delete的配套。换句话说,new一个对象就需要在某个地方及时地delete它。既然是智能指针,那就意味着它应该是一个默默奉献的辛勤工作者,尽可能自动地帮程序员排忧解难,而不是所有事情都需要程序员手工完成。
  要让智能指针自动判断是否需要回收一块内存空间,应该如何设计?
  以下我们称内存对象为object,称智能指针为SmartPointer,那么:
  ● SmartPointer是个类
  首先能想到的是,SmartPointer要能记录object的内存地址。也就是说,它的内部应该有一个指针变量指向object,所以SmartPointer是一个类。即:

class SmartPointer
{
private:
      void* m_ptr; // 指向object对象
}

  ● SmartPointer是一个模板类
  智能指针并不是针对某种特定类型的对象设计的,因而一定是模板类。具体如下所示:

template<typename T>
class SmartPointer 
{
private:
      T* m_ptr; //指向object
} 

  ● SmartPointer的构造函数
  根据第一个问题的描述,智能指针的构造函数应将m_ptr置空。具体如下所示:

template<typename T>
class SmartPointer
{
    inline SmartPointer():m_ptr(0) {}
 private:
    T* m_ptr //指向object
}

  ● 引用计数
  这是关键的问题点,智能指针怎么知道应该在什么时候释放一个内存对象呢?答案就是“当不需要的时候”释放,这个听起来像是一句废话,却引导我们从“什么是需要和不需要”这个入口点来思考问题:假设有一个指针指向这个object,那就必然代表后者是“被需要”的;知道这个指针解除了于内存对象的关系,我们就可以认为这个内存对象已经“不被需要”。
  如果有两个以上的指针同时使用内存对象呢?也好办,只要有一个计数器记录着该内存对象“被需要”的个数即可。当这个计数器递减到零时,就是说明该内存对象应该“寿终正寝”了。这就是在很多领域都获得了广泛应用的“引用计数”概念。
  不过又有一个问题点接踵而至,那就是由谁来管理这个计数器
  下面我们设计两个计数器管理方式,大家可以比较下它们的优缺点。
  1、计数器由智能指针拥有
  这时的情况
  如果当前只有一个智能指针引用了object,看上去并没有什么大问题。那么如果有两个(或以上)的智能指针都需要使用object呢?如下图所示:


image.png

image.png

  当SmartPointer1释放了自己与object的连接后,会将mCount减1,这时候发现计数值已经为0,所以根据设计需要去delete object。然而意想不到的事情发生了,SmartPointer1虽然不再使用object,但是SmartPointer2还在使用,这显然将会引起致命的问题。
  2、解决这一问题的唯一方法--------计数器交给object来持有
  我们可以为计数器需求的内存对象实现一个统一的"父类",这样只要object继承于它就具备了计数的功能。比如下面的范例:

template<class T>
class LightRefBase
{
public:
    inline LightRefBase() : mCount(0) {}
    inline void incStrong() const { /*增加引用计数*/
        android _atomic_inc(&mCount);
    }
    inline void deStrong() const {
        if(android _atomic_inc(&mCount) == 1) {
            delete static_case<const T*>(this);/*删除内存对象*/
        }
    }
protected:
private:
    mutable volatile int32_t mCount; /*引用计数值*/
}

  以上代码段中的LightRefBase类主要提供了两个方法,即incStrong和decStrong,分别用于增加和减少引用计数值;而且如果当前已经没有人引用内存对象(计数值为0),它还需要自动释放自己。
  那么,incStrong和decStrong这两个函数在什么情况下会被调用呢?既然是引用计数,当然是在"被引用时",所以这个工作应该由SmartPointer完成。如下所示:

SmartPointer<TYPE> smartP = new object;

  当一个智能指针引用了object时,其父类中的incStrong就会被调用。这也意味着SmartPointer必须要重载它的"="运算符(注意:"多数情况下只重载"="是不够的,应视具体情况设计需求而定"):

template<typename T>
class SmartPointer 
{
    inline SmartPointer() : m_ptr(0){}
    ~wp();
    SmartPointer& operator = (T* other); //重载运算符
private:
    T*  m_ptr;
}
template<typename T>
SmartPointer<T> &SmartPointer<T>::operator = (T* other)
{
     if(other != null) {
         m_ptr = other; /*指向object对象*/
         other->incStrong()
    }
    return *this;
}

  当SmartPointer析构时,也应该及时调用decStrong来释放引用:

template<typename T>
wp<T>::~wp()
{
    if (m_ptr) { m_ptr->decStrong(); }
}

  经过以上分析之后,我们将前一个示意图进行调整,具体如图6-10所示:


image.png

  解决第二个问题,实际上第三个问题也就迎刃而解了,引用计数器的出现使得释放内存对象不再是个别指针的事情,而是对象自己的"内政",只要有人在使用,它就不会轻易delete自身,也就有效
地避免了引用它的指针突然变成"野指针"的情况。
  后续,还会介绍强指针和弱指针,还有具体分析Android中的智能指针实现。

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