C++中Boost的智能指针scoped_ptr

简介

C++中的RAII（资源获取即初始化）技术可以帮助程序员在程序运行过程中自动管理资源的分配和释放，以避免资源泄漏等问题。RAII技术的实现依赖于智能指针，在C++标准库中，已经提供了shared_ptr、unique_ptr和weak_ptr等智能指针类型，但是这些类型都不是线程安全的。

Boost库是C++语言中的一个非常优秀的C++库，其中提供了一系列的智能指针类型，其中包括scoped_ptr、scoped_array等，这些类型可以帮助程序员更方便的实现RAII技术，并且具有线程安全性。

本文将详细介绍scoped_ptr的用法。

scoped_ptr的原理和设计

scoped_ptr的本质上是一个具有语法糖的C++封装类。其背后的设计理念是利用C++语言的RAII技术，当程序运行到一个对象的生命周期结束时，她能够自动释放对应的指针空间，并且保证不会发生内存泄漏的问题。具体来说，当一个scoped_ptr对象被销毁时，会自动调用其析构函数，在析构函数中会释放对应的指针空间。

scoped_ptr的定义如下：

template <typename T> class scoped_ptr
{
public:
    // 构造函数，初始化指针
    explicit scoped_ptr(T * ptr = 0);
    // 析构函数，释放指针
    ~scoped_ptr();
    // 重载*运算符
    T& operator*() const;
    // 重载->运算符
    T* operator->() const;
    // 获取原始指针
    T* get() const;
    // 释放指针
    void reset(T * ptr = 0);
    // 禁用复制构造函数和赋值运算符
    scoped_ptr(const scoped_ptr &) = delete;
    void operator=(const scoped_ptr &) = delete;
private:
    // 指向具体对象的指针
    T * m_ptr;
};

在scoped_ptr中，有以下重要的函数：

• 构造函数：初始化指针
• 析构函数：释放指针
• 重载*运算符：获取指向对象的引用
• 重载->运算符：使scoped_ptr表现得像一个T指针
• get函数：获取原始指针的值
• reset函数：释放当前指向的对象并重新指向一个新的对象
• 禁止复制构造函数和赋值运算符（禁止复制）

scoped_ptr的各个函数使用起来非常方便，下面通过几个具体的例子来进一步讲解。

scoped_ptr的用法示例

示例1：以scoped_ptr管理根据条件生成的对象

在以下示例中，我们通过随机数猜数游戏，要求用户依次输入猜测的数字，并且在每次输入之后判断玩家是否已经猜中，以便最终输出游戏的结果。

首先我们需要定义一个RandomNumberGenerator类，该类可以生成随机数，其定义如下：

class RandomNumberGenerator
{
public:
    // 生成min-max之间的随机数
    int generate(int min, int max)
    {
        return rand() % (max - min + 1) + min;
    }
};

接下来我们需要定义一个Game类，该类包含一个字段：m_number，表示要猜测的数字。为了使Game类的使用更加方便，我们为Game类实现了重载运算符。

class Game
{
public:
    // 构造函数，生成一个需要猜测的数字
    Game() : m_number(m_generator.generate(1, 100)) {}
    // 判断是否猜测成功
    bool guess(int number)
    {
        if (number == m_number)
        {
            std::cout << "Congratulations! You guessed the number!" << std::endl;
            return true;
        }
        else if (number > m_number)
        {
            std::cout << "Sorry, the number you guessed is too big." << std::endl;
        }
        else
        {
            std::cout << "Sorry, the number you guessed is too small." << std::endl;
        }
        return false;
    }
    // 重载，以方便使用
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Game& game)
    {
        os << "Guess the number between 1 and 100." << std::endl;
        return os;
    }
private:
    // 猜测的数字
    int m_number;
    // 随机数生成器
    static RandomNumberGenerator m_generator;
};

// 静态变量需要在实现文件中初始化
RandomNumberGenerator Game::m_generator;

接下来我们将使用scoped_ptr来实现资源的自动分配和释放。下面是完整的代码：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <cstdlib>
#include <time.h>

// 随机数生成器
class RandomNumberGenerator
{
public:
    // 生成min-max之间的随机数
    int generate(int min, int max)
    {
        return rand() % (max - min + 1) + min;
    }
};

// 猜数游戏
class Game
{
public:
    // 构造函数，生成一个需要猜测的数字
    Game() : m_number(m_generator.generate(1, 100)) {}
    // 判断是否猜测成功
    bool guess(int number)
    {
        if (number == m_number)
        {
            std::cout << "Congratulations! You guessed the number!" << std::endl;
            return true;
        }
        else if (number > m_number)
        {
            std::cout << "Sorry, the number you guessed is too big." << std::endl;
        }
        else
        {
            std::cout << "Sorry, the number you guessed is too small." << std::endl;
        }
        return false;
    }
    // 重载，以方便使用
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Game& game)
    {
        os << "Guess the number between 1 and 100." << std::endl;
        return os;
    }
private:
    // 猜测的数字
    int m_number;
    // 随机数生成器
    static RandomNumberGenerator m_generator;
};

// 静态变量需要在实现文件中初始化
RandomNumberGenerator Game::m_generator;

int main()
{
    srand(time(NULL)); // 初始化随机数种子

    std::cout << "Welcome to the game!" << std::endl;
    std::cout << "Please enter the number you guessed." << std::endl;

    // 通过scoped_ptr管理Game对象
    std::unique_ptr<Game> game(new Game());

    int guessNumber = 0;
    while (std::cin >> guessNumber)
    {
        if (game->guess(guessNumber)) // 猜测正确，结束游戏
        {
            break;
        }
    }

    std::cout << "Game over!" << std::endl;

    return 0;
}

在上述程序中，我们使用scoped_ptr来管理Game对象，当程序运行结束时，会自动释放Game对象的内存空间。如果没有使用scoped_ptr来管理Game对象，就需要手动写代码释放Game对象的内存空间，极易引发资源泄漏等问题。

示例2：在内存分配中使用scoped_ptr

在下面的示例中，我们将展示scoped_ptr的内存管理特性。对于具有RAII技术的scoped_ptr来说，在内存分配中使用它会自动管理对应的对象，避免了手动管理内存的繁琐操作，并且能够避免内存泄漏和悬空指针等问题。

下面是这个示例的代码：

#include <iostream>
#include <memory>

int main()
{
    std::unique_ptr<int> int_ptr(new int(100));

    std::cout << *int_ptr << std::endl;

    std::unique_ptr<int[]> int_array_ptr(new int[10]);
    for (size_t i = 0; i < 10; ++i)
    {
        int_array_ptr[i] = i;
    }
    for (size_t i = 0; i < 10; ++i)
    {
        std::cout << int_array_ptr[i] << ", ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

在上述程序中我们通过unique_ptr分别创建了一个int类型的指针，和一个int数组类型的指针。在程序结束时，unique_ptr自动释放了这些指针，不需要我们手动进行内存释放操作。

小结

经过以上的介绍，我们可以知道boost库中的scoped_ptr是C++中一个非常好用的智能指针类型。scoped_ptr的使用非常方便，性能和效率也非常高，比传统的指针类型更加安全和稳定。scoped_ptr的主要优势在于其避免了程序员手动管理资源对象的过程，当程序运行结束时，scoped_ptr会自动释放资源，避免了很多潜在的问题。