C++中智能指針unique_ptr的實(shí)現(xiàn)詳解

更新時(shí)間：2024年01月17日 08:10:34 作者：李慕然

智能指針本質(zhì)上并不神秘,其實(shí)就是?RAII?資源管理功能的自然展現(xiàn)而已,這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了如何實(shí)現(xiàn)?C++中智能指針的?unique_ptr,需要的可以了解下

前言

智能指針本質(zhì)上并不神秘，其實(shí)就是 RAII 資源管理功能的自然展現(xiàn)而已。本文將介紹如何實(shí)現(xiàn) C++中智能指針的 unique_ptr。

實(shí)現(xiàn)過程

首先，unique_ptr 能夠包裝任意類型，所以，要讓這個(gè)類能夠包裝任意類型的指針，我們需要把它變成一個(gè)類模板。

template <typename T>
class unique_ptr {
public:
  explicit unique_ptr(T* ptr = nullptr)
    : ptr_(ptr) {}
  ~unique_ptr()
  {
    delete ptr_;
  }
  T* get() const { return ptr_; }
private:
  T* ptr_;
};

目前這個(gè) unique_ptr 的行為還是和指針有點(diǎn)差異的：

它不能用 * 運(yùn)算符解引用
它不能用 -> 運(yùn)算符指向?qū)ο蟪蓡T
它不能像指針一樣用在布爾表達(dá)式里

不過，這些問題也相當(dāng)容易解決，加幾個(gè)成員函數(shù)就可以：

template <typename T>
class unique_ptr {
public:
  …
  T& operator*() const { return *ptr_; }
  T* operator->() const { return ptr_; }
  operator bool() const { return ptr_; }
}

拷貝構(gòu)造和賦值

最簡(jiǎn)單的情況顯然是禁止拷貝。我們可以使用下面的代碼：

template <typename T>
class unique_ptr {
  …
  unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
  unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;
  …
};

禁用這兩個(gè)函數(shù)非常簡(jiǎn)單，但是，有時(shí)我們需要轉(zhuǎn)移所有權(quán)，那么這個(gè)方案就不可行了。

這里，我們采用移動(dòng)語(yǔ)義：

template <typename T>
class unique_ptr {
  …
  unique_ptr(unique_ptr&& other)
  {
    ptr_ = other.release();
  }
  unique_ptr& operator=(unique_ptr rhs)
  {
    rhs.swap(*this);
    return *this;
  }
  …
};

把拷貝構(gòu)造函數(shù)中的參數(shù)類型 unique_ptr& 改成了 unique_ptr&&；現(xiàn)在它成了移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)。
把賦值函數(shù)中的參數(shù)類型 unique_ptr& 改成了 unique_ptr，在構(gòu)造參數(shù)時(shí)直接生成新的智能指針，從而不再需要在函數(shù)體中構(gòu)造臨時(shí)對(duì)象。現(xiàn)在賦值函數(shù)的行為是移動(dòng)還是拷貝，完全依賴于構(gòu)造參數(shù)時(shí)走的是移動(dòng)構(gòu)造還是拷貝構(gòu)造。根據(jù) C++ 的規(guī)則，如果我提供了移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)而沒有手動(dòng)提供拷貝構(gòu)造函數(shù)，那后者自動(dòng)被禁用。

子類指針向基類指針的轉(zhuǎn)換

一個(gè) circle* 類是可以隱式轉(zhuǎn)換成 shape* 類的，但上面的 unique_ptr<circle> 卻無(wú)法自動(dòng)轉(zhuǎn)換成 unique_ptr<shape>。

不過，只需要額外加一點(diǎn)模板代碼，就能實(shí)現(xiàn)這一行為。在我們目前給出的實(shí)現(xiàn)里，只需要增加一個(gè)構(gòu)造函數(shù)即可。

template <typename U>
unique_ptr(unique_ptr<U>&& other)
{
  ptr_ = other.release();
}

這樣，我們自然而然利用了指針的轉(zhuǎn)換特性：現(xiàn)在 unique_ptr<circle> 可以移動(dòng)給 unique_ptr<shape>，但不能移動(dòng)給 unique_ptr<triangle>。不正確的轉(zhuǎn)換會(huì)在代碼編譯時(shí)直接報(bào)錯(cuò)。

驗(yàn)證

unique_ptr<shape> ptr1{create_shape(shape_type::circle)};
unique_ptr<shape> ptr2{ptr1};             // 編譯出錯(cuò)
unique_ptr<shape> ptr3;
ptr3 = ptr1;                             // 編譯出錯(cuò)
ptr3 = std::move(ptr1);                  // OK，可以
unique_ptr<shape> ptr4{std::move(ptr3)};  // OK，可以

完整代碼

#include <utility>

template <typename T>
class unique_ptr {
public:
  explicit unique_ptr(T* ptr = nullptr)
    : ptr_(ptr) {}
  ~unique_ptr()
  {
    delete ptr_;
  }
  unique_ptr(unique_ptr&& other)
  {
    ptr_ = other.release();
  }
  // 子類指針向基類指針的轉(zhuǎn)換
  template <typename U>
  unique_ptr(unique_ptr<U>&& other)
  {
    ptr_ = other.release();
  }
  unique_ptr& operator=(unique_ptr rhs)
  {
    rhs.swap(*this);
    return *this;
  }
  T* release()
  {
    T* ptr = ptr_;
    ptr_ = nullptr;
    return ptr;
  }
  void swap(unique_ptr& rhs)
  {
    using std::swap;
    swap(ptr_, rhs.ptr_);
  }
  T* get() const { return ptr_; }
  T& operator*() const { return *ptr_; }
  T* operator->() const { return ptr_; }
  operator bool() const { return ptr_; }
private:
  T* ptr_;
};