C++ 智能指针

原帖及讨论：

Smart Pointer是C++中的一个大题目，要说清楚他的所有好处很需要费点力气。我就一个功能一个功能的说。有我理解不透的地方希望大家指点。

1.copy-to-write
当生成一个C++ object的时候如果这个class很大，这个object会占用很多空间。那么每生成一个就占用一片空间，这样会占用很多系统资源。同时降低效率。一个解决方法就是对用拷贝构造函数生成的object，让他不存储数据，而只存储一个指向原来object数据的指针。这样空间就节省了很多。但问题在于这样两个object完全联结在了一起。如果修改了其中一个，另一个也跟着变了。所以这种方法不可取。这里讲的copy-to-write技术就是解决这类问题的方法。当通过引用一个已有object去拷贝构造新object时，新object只有一个指向已有object的指针。这两个object共享数据。直到其中一个需要修改数据的时候，再把这两块数据分离。这里举一个最简化的例子。假设一个class叫CLargeObject，里面存有很多数据。我们用一个inner class来把所有数据放在一起，叫CData。CData里面存有大量数据，例如一个数据库。这里用最简单的模型来表示，假设只有一个整数int m_nVal; CData里面需要包含另一个变量。叫作索引数目(reference count)。它记录了指向这个CData object的来自CLargetObject类的指针各数。也就是说，总共有多少CLargeObject的object正在引用着当前的CData object。

class CLargeObject
{
private:
    struct CData
    {
    private:
        int m_nVal;
        int m_nReferenceCount;
    }
};

对于每个CLargeObject的object，我们用一个CData类的指针来指向其数据。
CData *m_pData;

CLargeObject至少有两个构造函数。第一个是标准的构造函数，初始化其数据。这时数据是唯一的，所以必须新生成一个CData的object来存储数据。
CLargeObject::CLargeObject(int nVal)
{
    m_pData = new Data(nVal);
}
而对于CData类的构造函数而言，初始化他的CLargeObject是第一个指向他的，这一时刻索引数目m_nReferenceCount是1。
CLargeObject::Data::Data(int nVal) : m_nVal(nVal), m_nReferenceCount(1) {}

CLargeObject的第二个构造函数是拷贝构造(copy constructor)。这样生成的object不需要有新的数据，和已有的object共享数据就可以了。这是索引数目需要加1。表示又有一个object指向当前的CData了。
CLargeObject::CLargeObject(const CLargeObject &ob) // copy constructor
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    m_pData = ob.m_pData;
}


这样CLargeObject就构造好了，使用了可能的最少的内存。下面看看他的析够函数(destructor)。当一个object被delete的时候，它的数据不一定无效，如果别的object还在引用着这个数据，数据需要留下来。当然，数据的索引数目无论如何都要减1。
CLargeObject::~CLargeObject()
{
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
}

下面看一看赋值操作。先说用已有的CLargeObject赋值给这个CLargeObject。这时当前CLargeObject里面的数据要指向已有的这个object，就搞定了。
CLargeObject& CLargeObject::operator = (const CLargeObject& ob)    // copy assignment
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
    m_pData = ob.m_pData;

    return *this;
}

再来看看如何对CLargeObject里面的数据进行真正的修改。这样就一定需要对当前的object独立操作了，否则就影响到了其它指向同一块数据的CLargeObject。这样CData类需要一个新的函数，生成只用于当前CLargetObject的数据。如果当前的引用数目是1，那么当然这个CData就是只用于这个CLargeObject的了。否则就重新new一个CData返回。
        Data* CLargeObject::CData::get_own_copy()    // clone if necessary
        {
            if (m_nReferenceCount==1)
                return this;
            m_nReferenceCount--;
            return new Data(m_nVal);
        }
CLargeObject修改前用这个函数得到唯一的object，然后对它赋值。
void CLargeObject::SetVal(int nNewVal)
{
    m_pData = m_pData->get_own_copy();
    m_pData->m_nVal = nNewVal;
}
对于所有可能改变CData值的操作，都需要用这种方法。

下面是只读函数，简单。直接返回值，什么特殊的都不用作。
int CLargeObject::GetVal() const
{
    return m_pData->m_nVal;
}


这样copy-to-write技术就实现了。下面把完整的程序写一下：
class CLargeObject
{
public:
    CLargeObject(int nVal);
    CLargeObject(const CLargeObject &ob);
    ~CLargeObject();

    CLargeObject& operator = (const CLargeObject& ob);
    void SetVal(int nNewVal);
    int GetVal() const;
private:
    struct Data
    {
    public:
        Data(int nVal) : m_nVal(nVal), m_nReferenceCount(1) {}
    private:
        friend class CLargeObject;
        Data* get_own_copy()    // clone if necessary
        {
            if (m_nReferenceCount==1)
                return this;
            m_nReferenceCount--;
            return new Data(m_nVal);
        }

        // control variables.
        int m_nReferenceCount;
    
        // actual data portion
        int m_nVal;
    };

    Data *m_pData;
};

CLargeObject::CLargeObject(int nVal)
{
    m_pData = new Data(nVal);
}

CLargeObject::CLargeObject(const CLargeObject &ob) // copy constructor
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    m_pData = ob.m_pData;
}

CLargeObject::~CLargeObject()
{
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
}

CLargeObject& CLargeObject::operator = (const CLargeObject& ob)    // copy assignment
{
    ob.m_pData->m_nReferenceCount++;
    if (--m_pData->m_nReferenceCount == 0)
        delete m_pData;
    m_pData = ob.m_pData;

    return *this;
}

void CLargeObject::SetVal(int nNewVal)
{
    m_pData = m_pData->get_own_copy();
    m_pData->m_nVal = nNewVal;
}

int CLargeObject::GetVal() const
{
    return m_pData->m_nVal;
}


很多存储数据的系统class，如string，CString等都有这种设计。所以记住这个应用是很有必要的。