02|自己动手，实现C++的智能指针

你好，我是吴咏炜。

上一讲，我们描述了一个某种程度上可以当成智能指针用的类 shape_wrapper。使用那个智能指针，可以简化资源的管理，从根本上消除资源（包括内存）泄漏的可能性。这一讲我们就来进一步讲解，如何将 shape_wrapper 改造成一个完整的智能指针。你会看到，智能指针本质上并不神秘，其实就是 RAII 资源管理功能的自然展现而已。

在学完这一讲之后，你应该会对 C++ 的 unique_ptr 和 shared_ptr 的功能非常熟悉了。同时，如果你今后要创建类似的资源管理类，也不会是一件难事。

回顾

我们上一讲给出了下面这个类：

class shape_wrapper {
public:
explicit shape_wrapper(
shape* ptr = nullptr)
: ptr_(ptr) {}
~shape_wrapper()
{
delete ptr_;
}
shape* get() const { return ptr_; }

private:
shape* ptr_;
};

这个类可以完成智能指针的最基本的功能：对超出作用域的对象进行释放。但它缺了点东西：

1. 这个类只适用于 shape 类
2. 该类对象的行为不够像指针
3. 拷贝该类对象会引发程序行为异常

下面我们来逐一看一下怎么弥补这些问题。

模板化和易用性

要让这个类能够包装任意类型的指针，我们需要把它变成一个类模板。这实际上相当容易：

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

和 shape_wrapper 比较一下，我们就是在开头增加模板声明 template <typename T>，然后把代码中的 shape 替换成模板参数 T 而已。这些修改非常简单自然吧？模板本质上并不是一个很复杂的概念。这个模板使用也很简单，把原来的 shape_wrapper 改成 smart_ptr<shape> 就行。

目前这个 smart_ptr 的行为还是和指针有点差异的：

1. 它不能用 * 运算符解引用
2. 它不能用 -> 运算符指向对象成员
3. 它不能像指针一样用在布尔表达式里

不过，这些问题也相当容易解决，加几个成员函数就可以：

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

拷贝构造和赋值

拷贝构造和赋值，我们暂且简称为拷贝，这是个比较复杂的问题了。关键还不是实现问题，而是我们该如何定义其行为。假设有下面的代码：

smart_ptr ptr1{create_shape(shape_type::circle)};
smart_ptr ptr2{ptr1};

对于第二行，究竟应当让编译时发生错误，还是可以有一个更合理的行为？我们来逐一检查一下各种可能性。

最简单的情况显然是禁止拷贝。我们可以使用下面的代码：

template
class smart_ptr {
…
smart_ptr(const smart_ptr&)
= delete;
smart_ptr& operator=(const smart_ptr&)
= delete;
…
};

禁用这两个函数非常简单，但却解决了一种可能出错的情况。否则，smart_ptr<shape> ptr2{ptr1}; 在编译时不会出错，但在运行时却会有未定义行为——由于会对同一内存释放两次，通常情况下会导致程序崩溃。

我们是不是可以考虑在拷贝智能指针时把对象拷贝一份？不行，通常人们不会这么用，因为使用智能指针的目的就是要减少对象的拷贝啊。何况，虽然我们的指针类型是 shape，但实际指向的却应该是 circle 或 triangle 之类的对象。在 C++ 里没有像 Java 的 clone 方法这样的约定；一般而言，并没有通用的方法可以通过基类的指针来构造出一个子类的对象来。

我们要么试试在拷贝时转移指针的所有权？大致实现如下：

template
class smart_ptr {
…
smart_ptr(smart_ptr& other)
{
ptr_ = other.release();
}
smart_ptr& operator=(smart_ptr& rhs)
{
smart_ptr(rhs).swap(this);
return this;
}
…
T release()
{
T ptr = ptr_;
ptr_ = nullptr;
return ptr;
}
void swap(smart_ptr& rhs)
{
using std::swap;
swap(ptr_, rhs.ptr_);
}
…
};

在拷贝构造函数中，通过调用 other 的 release 方法来释放它对指针的所有权。在赋值函数中，则通过拷贝构造产生一个临时对象并调用 swap 来交换对指针的所有权。实现上是不复杂的。

如果你学到的赋值函数还有一个类似于 if (this != &rhs) 的判断的话，那种用法更啰嗦，而且异常安全性不够好——如果在赋值过程中发生异常的话，this 对象的内容可能已经被部分破坏了，对象不再处于一个完整的状态。

目前这种惯用法（见参考资料 [1] **）则保证了强异常安全性：**赋值分为拷贝构造和交换两步，异常只可能在第一步发生；而第一步如果发生异常的话，this 对象完全不受任何影响。无论拷贝构造成功与否，结果只有赋值成功和赋值没有效果两种状态，而不会发生因为赋值破坏了当前对象这种场景。

如果你觉得这个实现还不错的话，那恭喜你，你达到了 C++ 委员会在 1998 年时的水平：上面给出的语义本质上就是 C++98 的 auto_ptr 的定义。如果你觉得这个实现很别扭的话，也恭喜你，因为 C++ 委员会也是这么觉得的：auto_ptr 在 C++17 时已经被正式从 C++ 标准里删除了。

上面实现的最大问题是，它的行为会让程序员非常容易犯错。一不小心把它传递给另外一个 smart_ptr，你就不再拥有这个对象了……

“移动”指针？

在下一讲我们将完整介绍一下移动语义。这一讲，我们先简单看一下 smart_ptr 可以如何使用“移动”来改善其行为。

我们需要对代码做两处小修改：

template
class smart_ptr {
…
smart_ptr(smart_ptr&& other)
{
ptr_ = other.release();
}
smart_ptr& operator=(smart_ptr rhs)
{
rhs.swap(*this);
return *this;
}
…
};

看到修改的地方了吗？我改了两个地方：

1. 把拷贝构造函数中的参数类型 smart_ptr& 改成了 smart_ptr&&；现在它成了移动构造函数。
2. 把赋值函数中的参数类型 smart_ptr& 改成了 smart_ptr，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。现在赋值函数的行为是移动还是拷贝，完全依赖于构造参数时走的是移动构造还是拷贝构造。

根据 C++ 的规则，如果我提供了移动构造函数而没有手动提供拷贝构造函数，那后者自动被禁用（记住，C++ 里那些复杂的规则也是为方便编程而设立的）。于是，我们自然地得到了以下结果：

smart_ptr ptr1{create_shape(shape_type::circle)};
smart_ptr ptr2{ptr1}; // 编译出错
smart_ptr ptr3;
ptr3 = ptr1; // 编译出错
ptr3 = std::move(ptr1); // OK，可以
smart_ptr ptr4{std::move(ptr3)}; // OK，可以

这个就自然多了。

这也是 C++11 的 unique_ptr 的基本行为。

子类指针向基类指针的转换

哦，我撒了一个小谎。不知道你注意到没有，一个 circle* 是可以隐式转换成 shape* 的，但上面的 smart_ptr<circle> 却无法自动转换成 smart_ptr<shape>。这个行为显然还是不够“自然”。

不过，只需要额外加一点模板代码，就能实现这一行为。在我们目前给出的实现里，只需要修改我们的移动构造函数一处即可——这也算是我们让赋值函数使用拷贝 / 移动构造函数的好处了。

template
smart_ptr(smart_ptr&& other)
{
ptr_ = other.release();
}