C++智能指针的模拟实现实例

简介

在C++中，有一种叫做智能指针的类型，它的作用是自动管理指针资源，避免内存泄漏等问题。C++智能指针是C++11标准引入的一个新特性，包括了unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr三种智能指针。本文将介绍C++智能指针的模拟实现方式，让各位读者了解智能指针的本质和实现方式，从而更好地应用智能指针。

unique_ptr

unique_ptr是独占式智能指针，它拥有对指针资源的独占使用权，当unique_ptr被销毁时，它所管理的指针资源也将被销毁。通常情况下，我们会通过new操作符来构造unique_ptr。

template<class T>
class unique_ptr {
private:
  T* m_ptr;
public:
  unique_ptr() : m_ptr(nullptr) {}
  explicit unique_ptr(T* ptr) : m_ptr(ptr) {}
  ~unique_ptr() { delete m_ptr; }

  // 禁止复制和赋值
  unique_ptr(const unique_ptr& ptr) = delete;
  unique_ptr& operator=(const unique_ptr& ptr) = delete;

  T* operator->() const {
    return m_ptr;
  }

  T& operator*() const {
    return *m_ptr;
  }
};

在这个示例中，我们定义了一个unique_ptr的实现，其中m_ptr是指向所管理对象的指针。unique_ptr的析构函数会在unique_ptr对象被销毁时释放它所管理的内存资源。此外，unique_ptr的拷贝构造函数和赋值函数被禁用，这意味着unique_ptr不能被复制或赋值，从而保证了资源的独占性。最后，我们重载了 -> 和 * 运算符，以方便访问所管理的对象。

下面是一个使用unique_ptr的示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
  std::unique_ptr<int> ptr(new int(42));
  std::cout << *ptr << std::endl;  // 输出 42
  return 0;
}

在这个示例中，我们先定义了一个unique_ptr对象ptr，然后通过new操作符分配了一个int类型的内存资源，并将其传给ptr。最后，我们通过*号操作符访问ptr所管理的对象并输出其值。

shared_ptr

shared_ptr是共享式智能指针，它可以被多个shared_ptr对象共享，当最后一个shared_ptr对象被销毁时，它所管理的指针资源也将被销毁。与unique_ptr不同，我们可以通过make_shared函数来构造shared_ptr。

template<class T>
class shared_ptr {
private:
  T* m_ptr;
  int* m_use_count;

  void add_ref() {
    if(m_use_count) {
      ++(*m_use_count);
    }
  }

  void release() {
    if(m_use_count) {
      --(*m_use_count);
      if(*m_use_count == 0) {
        delete m_ptr;
        delete m_use_count;
      }
    }
  }

public:
  shared_ptr() : m_ptr(nullptr), m_use_count(nullptr) {}
  explicit shared_ptr(T* ptr) : m_ptr(ptr), m_use_count(new int(1)) {}
  ~shared_ptr() { release(); }

  shared_ptr(const shared_ptr& ptr) : m_ptr(ptr.m_ptr), m_use_count(ptr.m_use_count) {
    add_ref();
  }

  shared_ptr& operator=(const shared_ptr& ptr) {
    release();
    m_ptr = ptr.m_ptr;
    m_use_count = ptr.m_use_count;
    add_ref();
    return *this;
  }

  T* operator->() const {
    return m_ptr;
  }

  T& operator*() const {
    return *m_ptr;
  }
};

在这个实现中，我们定义了m_use_count指向一个引用计数对象，记录共享该资源的shared_ptr对象数量。当构造一个shared_ptr对象时，我们给m_use_count赋初值1，并在拷贝构造和赋值函数中对引用计数对象进行递增和递减操作。当引用计数对象的值变为0时，我们销毁所管理的资源和引用计数对象。最后，我们定义了与unique_ptr相同的重载运算符。

下面是一个使用shared_ptr的示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
  std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);
  std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;
  std::cout << *ptr1 << ", " << *ptr2 << std::endl;  // 输出 42, 42
  return 0;
}

在这个示例中，我们定义了两个shared_ptr对象ptr1和ptr2，ptr1构造时通过make_shared函数分配了一个int类型的内存资源，并将其传给ptr1。然后我们通过将ptr1赋值给ptr2来共享ptr1所管理的资源。最后，我们输出ptr1和ptr2所管理对象的值，均为42，证明它们共享同一个内存资源。

总结

C++智能指针是一个重要的C++特性，它可以帮助我们管理指针资源，避免内存泄漏等问题。本文介绍了unique_ptr和shared_ptr的模拟实现方式，该实现方式可以帮助读者了解智能指针的本质和实现方式，并从而更好地应用C++智能指针。