C++智能指针

【C++】智能指针类和OpenCV的Ptr模板类2015-03-29 21:18智能指针类引用计数智能指针(smart pointer)的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。

智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象的指针指向同一对象。

引用计数为0时，删除对象。

其基本使用规则是：每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1。

当对象作为另一对象的副本而创建时，复制构造函数复制指针并增加与之相应的引用计数的值。

对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数的值(如果引用计数减至0，则删除对象)，并增加右操作数所指对象的引用计数的值。

最后，调用析构函数时，析构函数减少引用计数的值，如果计数减至0，则删除基础对象。

实现引用计数有两种经典策略：一是引入辅助类（包含引用计数型），二是使用句柄类（分离引用计数型）。

策略1：引用计数类这个类的所有成员均为private。

我们不希望用户使用U_Ptr 类，所以它没有任何public 成员。

将HasPtr 类设置为友元，使其成员可以访问U_Ptr 的成员。

U_Ptr 类保存指针和使用计数，每个HasPtr 对象将指向一个U_Ptr 对象，使用计数将跟踪指向每个U_Ptr 对象的HasPtr 对象的数目。

U_Ptr 定义的仅有函数是构造函数和析构函数，构造函数复制指针，而析构函数删除它。

构造函数还将使用计数置为1，表示一个HasPtr 对象指向这个U_Ptr 对象。

class U_Ptr{friend class HasPtr;int *ip;int use;U_Ptr(int *p):ip(p){}~U_Ptr(){delete ip;}};class HasPtr{public:HasPtr(int *p, int i):_ptr(new U_Ptr(p)),_val(i){}HasPtr(const HasPtr& obj):_ptr(obj._ptr),_val(obj._val){++_ptr->use;}HasPtr& operator=(const HasPtr&);~HasPtr(){if(--_ptr->use == 0)delete _ptr;}private:U_Ptr* _ptr;int _val;};接受一个指针和一个int 值的HasPtr 构造函数使用其指针形参创建一个新的U_Ptr 对象。

HasPtr 构造函数执行完毕后，HasPtr 对象指向一个新分配的U_Ptr 对象，该U_Ptr 对象存储给定指针。

新U_Ptr 中的使用计数为1，表示只有一个HasPtr 对象指向它。

复制构造函数从形参复制成员并增加使用计数的值。

复制构造函数执行完毕后，新创建对象与原有对象指向同一U_Ptr 对象，该U_Ptr 对象的使用计数加1。

析构函数将检查U_Ptr 基础对象的使用计数。

如果使用计数为0，则这是最后一个指向该U_Ptr 对象的HasPtr 对象，在这种情况下，HasPtr 析构函数删除其U_Ptr 指针。

删除该指针将引起对U_Ptr 析构函数的调用，U_Ptr 析构函数删除int 基础对象。

赋值与引用计数首先将右操作数中的使用计数加1，然后将左操作数对象的使用计数减1 并检查这个使用计数。

像析构函数中那样，如果这是指向U_Ptr 对象的最后一个对象，就删除该对象，这会依次撤销int 基础对象。

将左操作数中的当前值减1（可能撤销该对象）之后，再将指针从rhs 复制到这个对象。

赋值照常返回对这个对象的引用。

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){++rhs.ptr->use; // increment use count on rhs firstif (--ptr->use == 0)delete ptr; // if use count goes to 0 on this object,delete itptr = rhs.ptr; // copy the U_Ptr objectval = rhs.val; // copy the int memberreturn *this;}这个赋值操作符在减少左操作数的使用计数之前使rhs 的使用计数加1，从而防止自身赋值。

如果左右操作数相同，赋值操作符的效果将是U_Ptr 基础对象的使用计数加1 之后立即减1。

值型类复制值型对象时，会得到一个不同的新副本。

对副本所做的改变不会反映在原有对象上，反之亦然。

string 类是值型类的一个例子。

要使指针成员表现得像一个值，复制HasPtr 对象时必须复制指针所指向的对象：复制构造函数不再复制指针，它将分配一个新的int 对象，并初始化该对象以保存与被复制对象相同的值。

每个对象都保存属于自己的int 值的不同副本。

因为每个对象保存自己的副本，所以析构函数将无条件删除指针。

赋值操作符不需要分配新对象，它只是必须记得给其指针所指向的对象赋新值，而不是给指针本身赋值。

//复制构造函数定义HasPtr(const HasPtr &orig):ptr(new int (*orig.ptr)), val(orig.val) { }//赋值函数定义HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){*ptr = *rhs.ptr; // copy the value pointed toval = rhs.val; // copy the intreturn *this;}策略2：句柄类C++ 中一个通用的技术是定义包装（cover）类或句柄类。

句柄类存储和管理基类指针。

指针所指对象的类型可以变化，它既可以指向基类类型对象又可以指向派生类型对象。

用户通过句柄类访问继承层次的操作。

因为句柄类使用指针执行操作，虚成员的行为将在运行时根据句柄实际绑定的对象的类型而变化。

因此，句柄的用户可以获得动态行为但无须操心指针的管理。

包装了继承层次的句柄有两个重要的设计考虑因素：* 像对任何保存指针的类一样，必须确定对复制控制做些什么。

包装了集成层次的句柄通常表现得像一个智能指针或者像一个值。

* 句柄类决定句柄接口屏蔽还是不屏蔽继承层次，如果不屏蔽继承层次，用户必须了解和使用基本层次中的对象。

智能指针就是模拟指针动作的类。

所有的智能指针都会重载-> 和* 操作符。

class Smart_Pointer{public://default constructor: unbound handleSmart_Pointer():_p(0),_use(new std::size_t(1)){}//attaches a handle to a copy of the Base objectSmart_Pointer(const Base&);//copy control members to manage the use count and pointersSmart_Pointer(const Smart_Pointer& i):_p(i._p),_use(i._use){++*use;}~Smart_Pointer(){ decr_use();}Smart_Pointer& operator=(const Smart_Pointer&);//member access operatorsconst Base *operator->() const{if(_p)return _p;elsethrow std::logic_error("unbound Base");}const Base &operator*() const{if(_p)return *p;elsethrow std::logic_error("unbound Base");}private:Base *_p;std::size_t *_use;void decr_use(){if(--*use == 0){delete _p;delete _use;}}};OpenCV的Ptr模板类OpenCV中的智能指针Ptr模板类就是采用分离引用计数型的句柄类实现技术。

以OpenCV的人脸识别为例，实现了人脸识别中的三种算法：Eigenface、FisherFace和基于LBP特征的算法。

这三种算法也分别封装成三个类：Eigenfaces、Fisherfaces、LBPH 类，这三个类均派生自FaceRecognizer类，而FaceRecognizer类则派生自Algorithm 类。

FaceRecognizer类是一个抽象基类。

OpenCV就是采用一个泛型句柄类Ptr管理FaceRecognizer类的对象。

template<typename _Tp> class CV_EXPORTS Ptr{public://! empty constructorPtr();//! take ownership of the pointer. The associated reference counter is allocated and set to 1Ptr(_Tp* _obj);//! calls release()~Ptr();//! copy constructor. Copies the members and calls addref()Ptr(const Ptr& ptr);template<typename _Tp2> Ptr(const Ptr<_Tp2>& ptr);//! copy operator. Calls ptr.addref() and release() before copying the membersPtr& operator = (const Ptr& ptr);//! increments the reference countervoid addref();//! decrements the reference counter. If it reaches 0, delete_obj() is calledvoid release();//! deletes the object. Override if neededvoid delete_obj();//! returns true iff obj==NULLbool empty() const;//! cast pointer to another typetemplate<typename _Tp2> Ptr<_Tp2> ptr();template<typename _Tp2> const Ptr<_Tp2> ptr() const;//! helper operators making "Ptr<T> ptr" use very similar to "T* ptr"._Tp* operator -> ();const _Tp* operator -> () const;operator _Tp* ();operator const _Tp*() const;_Tp* obj; //< the object pointer.int* refcount; //< the associated reference counter};当创建一个FaceRecognizer的派生类Eigenfaces 的对象时，我们把这个Eigenfaces对象放进Ptr 对象内，就可以依赖句柄类Ptr 确保Eigenfaces对象自动被释放。