auto_ptr与auto_ptr_ref的一点理解

先看一段转过来的文档：

auto_ptr是目前C++标准中唯一的一个智能指针（smart pointer），主要是用来自动管理指针所指向的内存资源。资源管理是程序设计中非常重要的一部分。资源（resource）是计算机中很宽泛的一个概念，用来表示程序中数量有限，用完就必须归还的东西，比如常见的互斥锁（mutex lock）、文件指针、Win32中的画刷（brush）……，其中内存（memory）是最常见的一种资源，也是我们最先接触，使用最多的一种资源，因此它的地位至关重要。它的地位到底重要到什么程度？对此有两种截然不同的理念： 1．内存资源是如此的重要，以至于我们不能把它们交给计算机来管理，而必须由程序员来管理。 2．内存资源是如此的重要，以至于我们不能把它们交给程序员来管理，而必须由计算机来管理。 Java、C#、Eiffel秉承了第二种理念，把内存资源交给计算机管理，避免了程序员在内存管理上易犯的大量错误，从整体上提高了开发的效率，但是是以损失一定执行时间上的效率为代价的。因此这些语言在实时系统、操作系统、语言编译器……等一些对时间要求比较严格的领域中运用的很少。 C语言秉承了第一种理念，C++也随之继承了这种理念，从而也就把内存资源管理交给了程序员，对于高段C程序员，当然是给了他们更多的灵活性，可以编制出非常精美的艺术品，但是对于初学者和不那么高段的C程序员，内存管理却是麻烦的根源，带给他们更多的不是灵活性，而是挥之不去的连环噩梦。比如内存泄漏（memory leak）、野指针（wild pointer）等导致的一些极难察觉的bug，最后的调试除错可能会让我们觉得世界末日到了。【注1】 注1：不是有一种玩笑说法吗？真正的程序员用C（或C++），我想，难度颇高的，由程序员本人负责的内存管理可能是支持这个观点的一个重要理由。：） 但是在C++中有了另外一个管理内存（甚至资源）的选择，那就是智能指针（smart pointer），资源获取即初始化（resource acquisition is initialization）理念的具体实现。 【注2】 注2：在C++的准标准Boost库中，引入了几个新的智能指针scoped_ptr、scoped_array、shared_ptr、shared_array、weak_ptr，相对于auto_ptr有它们的许多好处，感兴趣的读者可以到www.boost.org去看一看。Andrei Alexandrescu在他的Loki库中也专门用Policy设计实现了一个可以扩展的SmartPtr模板，里面用到的一些技术还是很有价值的，可以到http://sourceforge.net/projects/loki-lib/下载Loki库阅读。 标准中auto_ptr的引入主要就是为了解决内存资源管理这个让人难以驯服的怪兽。不过在解决一个问题的同时，也会带来一些新的问题，auto_ptr本身有拥有权（ownership）的转移（transfer）问题，而且它本身不支持“值（value）语义”概念【注3】，因此不能用在STL容器里面作为元素使用，在比较新的编译器中，如果这样使用的话，编译器会阻止你。但是在稍微老一点的编译器中使用的话，很可能会无风无浪的编译通过，在执行的过程中，那么我恭喜你，其时你正在一个很长的雷区裸奔，能够毫发无损通过的概率那就只有天知道了。：） 注3：关于这些概念，可以参考我写的《范式的二维平面》。 auto_ptr本身的正确使用在很多书中有详细的讲解和示例，而且我们也可以直接阅读auto_ptr的源代码获得更直观的感受。所以对于它的使用我不想再浪费时间和笔墨，在auto_ptr目前实现中【注4】，我们会看到一个奇怪的类模板auto_ptr_ref，第一次我在阅读《The C++ Standard Library》的时候，看到讲解auto_ptr的时候提到auto_ptr_ref就百思不得其解，说实话，这本书是写得非常清晰易懂的，不过我觉得在auto_ptr这个地方花的笔墨比较吝啬，没有完全把问题讲清楚。而且我看的很多书、文章上也并没有详细讲解这个auto_ptr_ref问题，今天我想来对此深入探讨一下，希望能够抛砖引玉。 注4：auto_ptr的早期实现中有一些bug，后来Nicolai M. Josuttis 对此认真修正了，并作出了一个实现。读者可以到http://www.josuttis.com/libbook/util/autoptr.hpp.html查看。读者最好对照代码看文章。其中关于成员函数模板，我并没有讲解，很多书上都有，主要是为了解决指针之间的转化，特别是对于多态指针。 auto_ptr_ref就像它的名字一样，把一个值转化为引用（reference），具体的说，也就是把一个右值（rvalue）转化为一个左值（lvalue）。【注5】我们可能会很奇怪，C++什么时候还需要用到这种功能？很不幸，为了保证auto_ptr的正确行为和一定的安全性，需要用到这个功能。 注5：到底什么是左值，什么是右值？有许多让人混淆，并不明晰的概念表述，我会在下一篇文章中表明我的观点。 我们都知道，auto_ptr在进行复制操作（assignment operator and copy constructor）的时候，资源的拥有权（ownership）会发生转移，也即原来的auto_ptr所指向的内存资源转给了新的auto_ptr，本身已经为空。所以说auto_ptr不支持“值语义”，即被复制的值不会改变。一个例子可能更能说明问题： auto_ptr<int> ap1(new int(9)); auto_ptr<int> ap2(ap1);// ap1失去拥有权，现在指向空，ap2现在获得指9的//内存资源 ap1 = ap2;//ap2失去拥有权，现在指向空，ap1现在获得指向9的内存资源 我们在观察auto_ptr的assignment operator、copy constructor的实现时，也能够发现它的参数是auto_ptr& rhs，而不是auto_ptr const& rhs【注6】。也就是说，auto_ptr进行复制操作的时候，它的引数（argument）必须是一个可以改变的左值（事实是这个值必定被改变）。 注6：这种写法你可能不习惯，其实就是const auto_ptr& rhs，我为什么要用这种写法，可以参考我写的《C之诡谲（下）》，就知道我并不是为了标新立异。：） 我们最常见到的，复制操作的参数类型都是引用到常量（reference to const），这正好是为了避免改变传进来的引数（argument）。由于不会改变被引用的值，所以C++标准规定：常量引用可以引用右值。比如下列代码都是合法的： int const& ri = 60;//60是右值 list<int> const& rl = list<int>();//list<int>()是右值 int fun(){…}; int const& rf = fun();//fun()是右值 但是一般引用（非常量引用）是绝对不可以引用右值的。比如下列代码都是非法的： int& ri = 60; list<int>& rl = list<int>(); int fun(){…}; int& rf = fun(); 在我们前面谈到的auto_ptr，它的复制操作的参数类型恰好是非常量引用。所以对于下面的情况它就不能正确处理。 auto_ptr<int> ap1 = auto_ptr<int>(new int(8));//等号右边的是一个临时右值 auto_ptr<int> fun()//一个生成auto_ptr<int>的source函数 { return auto_ptr<int>(new int(8))； } auto_ptr<int> ap2 ( fun() );//调用fun()生成的auto_ptr<int>是右值 而这种情况不但合法，也是很常见的，我们不能拒绝这种用法，怎么办？天才的C++库设计者已经为我们想到了这一点，auto_ptr_ref的引入就是为了解决这个问题。仔细观察最下面的auto_ptr实现代码，我们会看到这样几行： /* special conversions with auxiliary type to enable copies and assignments */ auto_ptr(auto_ptr_ref<T> rhs) throw() : ap(rhs.yp) { } auto_ptr& operator= (auto_ptr_ref<T> rhs) throw() { // new reset(rhs.yp); return *this; } template<class Y> operator auto_ptr_ref<Y>() throw() { return auto_ptr_ref<Y>(release()); } 这就是关键所在了。对于一个auto_ptr右值，不可能为它调用正常的赋值运算符函数和复制构造函数，举个例子说明，对于语句 auto_ptr<int> ap1 = auto_ptr<int>(new int(8)); 首先生成临时对象右值auto_ptr<int>(new int(8))，然后使用转型函数模板 template<class Y> operator auto_ptr_ref<Y>() throw() { return auto_ptr_ref<Y>(release());}； 由auto_ptr<int>(new int(8))，首先调用成员函数release()，然后由获取的原始指针生成另外一个临时对象右值auto_ptr_ref<int>(一个指向动态存储区中8的指针)。这个时候我们再看一个构造函数 auto_ptr(auto_ptr_ref<T> rhs) throw() : ap(rhs.yp) { } 它的参数类型不是引用，采用的是传值（by value），所以可以接受右值，这时候，调用auto_ptr_ref<int>默认生成的复制构造函数（copy constructor），用上面最后得到的那个auto_ptr_ref<int>临时对象右值作为引数，生成了rhs，接着auto_ptr_ref<int>临时对象右值自动析构结束生命，后面的ap(rhs.yp)完成最后的工作。 对这个用法感兴趣的同仁，可以参考SGI的STL源码 :)

我以《C++标准程序库》里的代码写一个小例子：

auto_ptr.h

template<class T> struct auto_ptr_ref { T* tp; auto_ptr_ref(T* rhs) : tp(rhs) {} }; template<class T> class auto_ptr { private: T* ap; public: typedef T element_type; // 构造函数 explicit auto_ptr( T* ptr = 0) throw() : ap(ptr) {} // 拷贝构造函数 auto_ptr(auto_ptr& rhs) throw() : ap(rhs.release()) { } // 模板构造函数 template<class Y> auto_ptr(auto_ptr<Y>& rhs) throw() : ap(rhs.release()) {} // 赋值函数 auto_ptr& operator=(auto_ptr& rhs) throw() { reset(rhs.release()); return *this; } // 模板赋值函数 template<class Y> auto_ptr& operator=(auto_ptr<Y>& rhs) throw() { reset(rhs.release()); return *this; } ~auto_ptr() { delete ap; } T* get() const throw() { return ap; } T& operator*() const throw() { return *ap; } T* operator->() const throw() { return ap; } T* release() throw() { T* tmp(ap); ap = 0; return tmp; } void reset(T* ptr = 0) throw() { if(ap != ptr) { delete ap; ap = ptr; } } // 为特殊形式提供支持 // 不是引用哦 auto_ptr(auto_ptr_ref<T> rhs) : ap(rhs.tp) {} auto_ptr& operator=(auto_ptr_ref<T> rhs) throw() { reset(rhs.tp); return *this; } template<class Y> operator auto_ptr_ref<Y>() throw() { return auto_ptr_ref<Y>(release()); } template<class Y> operator auto_ptr<Y>() throw() { return auto_ptr<Y>(release()); } };

auto_ptr_test.cpp

#include <iostream> #include "auto_ptr.h" using std::cout; using std::endl; class test { public: test(const char* msg) { cout << "test构造了：" << msg << endl; } ~test() { cout << "test析构了：" << endl; } }; int main() { auto_ptr<test> t; // 赋值拷贝函数没有被调用！！！ t= auto_ptr<test>(new test("just test!")); auto_ptr<test> t1; // 赋值拷贝函数被调用！！！ t1 = t; }