C++ 智能指针(unique_ptr / shared

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unique_ptr 智能指针的实现
shared_ptr 智能指针的实现
指针类型转换

unique_ptr 智能指针的实现

一个对象只能被单个unique_ptr 所拥有。

#include <iostream>using namespace std;/*增加模板类型，保证智能指针的类型是由传入的类型决定的*/
template <typename T>class smart_ptr {public:explicit smart_ptr(T *ptr = nullptr): ptr_(ptr){}/*移动构造函数，当前智能指针仅能被一个对象引用*/smart_ptr(smart_ptr&& other) {ptr_ = other.release();}/*如果我们想要消除移动构造和拷贝构造，只需要将其 构造标记为delete*///smart_ptr(const smart_ptr&) = delete;//smart_ptr& operator=(const smart_ptr&) = delete;/*在构造参数时直接生成新的智能指针，从而不再需要在函数体中构造临时对象，当前支持移动构造进行函数对象的构造。*/smart_ptr& operator=(smart_ptr rhs) {rhs.swap(*this);return *this;}  T* release() {T* ptr = ptr_;ptr_ = nullptr;return ptr;}void swap(smart_ptr& rhs) {using std::swap;//标准模板库的交换函数swap(rhs.ptr_,ptr_);}~smart_ptr(){delete ptr_;}T* get() const{ return ptr_;}/*指针的特性，可以通过*解引用访问 */T& operator*() const{return *ptr_;}/*指针的特性，可以通过-> 访问指针的地址内容*/T* operator->() const{return ptr_;}/*重载bool运算符，能够让smart_ptr像指针一样用在布尔表达式中*/operator bool() const{return ptr_;}private:T* ptr_;
};class Shape{public:virtual void create_shape() = 0;virtual ~Shape(){}
};class Circle: public Shape{public:Circle(){cout << "Circle::Circle()" << endl;}void create_shape(){cout << "create shape: Circle" << endl;}~Circle(){cout << "Circle::delete()" << endl;}
};class Triangle: public Shape{public:Triangle(){cout << "Triangle::Tirangle()" << endl;}void create_shape(){cout << "create shape: Triangle" << endl;}~Triangle(){cout << "Triangle::delete()" << endl;}
};int main()
{smart_ptr<Shape> ptr1(new Circle);smart_ptr<Shape> ptr2(nullptr);smart_ptr<Shape> ptr3 ;//ptr3 = ptr1; //编译报错，赋值需要一个对象（而非引用），因而进入执行之前需要引发一个构造，但是此时没有可用的构造函数ptr3 = std::move(ptr2); // 编译正常，支持移动构造 return 0;
}

shared_ptr 智能指针的实现

多个shared_ptr可以共享同一个对象，当他们全部失效的时候，这个对象才会被删除。

此时对shared_ptr的需求是共享同一个对象时也需要共享同一个计数，当最后一个指向对象（和共享计数）的shared_ptr析构时，它需要删除对象和共享计数。

在以上unique_ptr的实现基础上增加引用计数相关的操作，实现如下:

#include <iostream>using namespace std;/*增加一个引用计数类，来记录当前对象被智能指针引用的次数*/
class shared_count{public:shared_count():count_(1) {}void add_count(){++count_;}long reduce_count(){return --count_;}long get_count() {return count_;}
private:long count_;
};/*增加类模板，保证智能指针的类型是由传入的类型决定的*/
template <typename T>class smart_ptr {public:explicit smart_ptr(T *ptr = nullptr): ptr_(ptr){if(ptr) {shared_count_ = new shared_count();}}/*移动构造函数，当前智能指针仅能被一个对象引用,同时不进行引用计数的自加*/template <typename U>smart_ptr(smart_ptr<U>&& other) {ptr_ = other.release();if(ptr_) {shared_count_ = other.shared_count_;other.ptr_ = nullptr;}}/*拷贝构造函数,支持子类对象向父类对象的拷贝*/template <typename U>smart_ptr(const smart_ptr<U>& other) {ptr_ = other.ptr_;if(ptr_) {other.shared_count_ -> add_count();shared_count_ = other.shared_count_;}}/*同类型对象的拷贝构造函数*/smart_ptr(smart_ptr & other) {ptr_ = other.ptr_;if(ptr_) {other.shared_count_ -> add_count();shared_count_ = other.shared_count_;}}/*在构造参数时直接生成新的智能指针，从而不再需要在函数体中构造临时对象，当前支持移动构造进行函数对象的构造。*/smart_ptr& operator=(smart_ptr rhs) {rhs.swap(*this);return *this;} T* release() {T* ptr = ptr_;ptr_ = nullptr;return ptr;}void swap(smart_ptr& rhs) {using std::swap;swap(rhs.ptr_,ptr_);swap(rhs.shared_count_,shared_count_);}long use_count() const {if(ptr_) {return shared_count_->get_count();} else {return 0;}}~smart_ptr(){//    cout << "smart_ptr::delete count is " << shared_count_ -> get_count() << endl;if(ptr_ && !shared_count_ -> reduce_count()){delete ptr_;delete shared_count_;}}T* get() const{ return ptr_;}T& operator*() const{return *ptr_;}T* operator->() const{return ptr_;}operator bool() const{return ptr_;}private:T* ptr_;shared_count* shared_count_;//统计对象引用计数的类
};class Shape{public:virtual void create_shape() = 0;virtual ~Shape(){}
};class Circle: public Shape{public:Circle(){cout << "Circle::Circle()" << endl;}void create_shape(){cout << "create shape: Circle" << endl;}~Circle(){cout << "Circle::delete()" << endl;}
};class Triangle: public Shape{public:Triangle(){cout << "Triangle::Tirangle()" << endl;}void create_shape(){cout << "create shape: Triangle" << endl;}~Triangle(){cout << "Triangle::delete()" << endl;}
};int main()
{smart_ptr<Shape> ptr1(new Circle);cout << "use count of ptr1 is: " << ptr1.use_count() << endl;smart_ptr<Shape> ptr2;cout << "use count of ptr2 was: " << ptr2.use_count() << endl;//ptr2 = std::move(ptr1); // 移动拷贝构造，不进行计数增加（可查看以上的实现）ptr2 = ptr1; //普通的拷贝构造，支持多个指针共享同一个对象，则对应智能指针的共享计数增加cout << "use count of ptr2 is now: " << ptr2.use_count() << endl;if(ptr1) {cout << "ptr1 is not empty " << endl; }return 0;
}

输出如下：

Circle::Circle()
use count of ptr1 is: 1
use count of ptr2 was: 0
use count of ptr2 is now: 2
Circle::delete()

指针类型转换

C++已有的强制类型转换有如下几种：

static_cast 用于类层次结构中基类和派生类之间指针或引用的转换
reinterpret_cast 改变指针或引用的类型、将指针或引用转换为一个足够长度的整形、将整型转换为指针或引用类型
const_cast 用于强制去掉不能被修改的常数特性
dynamic_cast dynamic_cast是运行时处理的，运行时要进行类型检查。

智能指针需要实现类似的函数模板，想要达到以上对应的强制类型转换的功能，我们需要增加构造函数，且允许在对智能指针内部的指针对象赋值时，使用一个现有的智能指针的共享计数。如下所示：

template <typename U>
smart_ptr(const smart_ptr<U> &other, T* ptr) { //拷贝构造时，使用T* ptr进行类型转换_ptr = ptr;if(_ptr) {other.shared_count_ -> add_count();shared_count_ = other.shared_count_;}
}

根据以上代码，实现dynamic_pointer_cast

template <typename T, typename U>
smart_ptr <T> dynamic_pointer_cast(const smart_ptr<U> &other) {T *ptr = dynamic_cast<T*> (other.get());return smart_ptr<T> (other,ptr);
}

使用方式如下：

smart_ptr<Circle> ptr3 = dynamic_pointer_cast<Circle> ptr2;

同理实现其他三个强制类型转换的逻辑实现如下：

template <typename T, typename U>
smart_ptr <T> static_pointer_cast(const smart_ptr<U> &other) {T *ptr = static_cast<T*> (other.get());return smart_ptr<T> (other,ptr);
}template <typename T, typename U>
smart_ptr <T> reinterpret_pointer_cast(const smart_ptr<U> &other) {T *ptr = reinterpret_cast<T*> (other.get());return smart_ptr<T> (other,ptr);
}template <typename T, typename U>
smart_ptr <T> const_pointer_cast(const smart_ptr<U> &other) {T *ptr = const_cast<T*> (other.get());return smart_ptr<T> (other,ptr);
}

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C++ 智能指针(unique_ptr / shared_ptr)代码实现

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