手撸一个智能指针，你学会了吗？

本文转载自微信公众号「程序喵大人」，手撸作者程序喵。个智转载本文请联系程序喵大人公众号。针学

估计大家面试过程中应该都会被问到C++11的手撸shared_ptr是如何实现的，大家应该都能答出来引用计数的个智概念，但是针学如果要让你手写一个shared_ptr，你能写出来吗?手撸

最近，我写了一个简单的个智shared_ptr，在这里分享一波。针学

首先定义一个主管引用计数的手撸类：

class SharedCount {

public:

SharedCount() : count_{ 1} { }

void add() { ++count_; }

void minus() { --count_; }

int get() const { return count_; }

private:

std::atomiccount_;

};

然后就是SharedPtr类，首先在构造函数中创建SharedCount的个智对象：

template

class SharedPtr {

public:

SharedPtr(T* ptr) : ptr_{ ptr}, ref_count_{ new SharedCount} { }

SharedPtr() : ptr_{ nullptr}, ref_count_{ new SharedCount} { }

private:

T* ptr_;

SharedCount* ref_count_;

};

通过构造函数创建出来的SharedPtr引用计数肯定是1，那析构函数怎么实现?针学无非就是将引用计数减1，如果引用计数最终减到0，手撸则释放所有指针：

template

class SharedPtr {

public:

~SharedPtr() { clean(); }

private:

void clean() {

if (ref_count_) {

ref_count_->minus();

if (ref_count_->get() == 0) {

if (ptr_) delete ptr_;

delete ref_count_;

}

}

}

};

然后就是个智智能指针的关键部分，即在拷贝构造和拷贝赋值的针学时候将引用计数+1：

template

class SharedPtr {

public:

SharedPtr(const SharedPtr& p) {

this->ptr_ = p.ptr_;

this->ref_count_ = p.ref_count_;

ref_count_->add();

}

SharedPtr& operator=(const SharedPtr& p) {

clean();

this->ptr_ = p.ptr_;

this->ref_count_ = p.ref_count_;

ref_count_->add();

return *this;

}

};

处理了拷贝语义，服务器租用还需要处理移动语义，即实现移动构造和移动赋值函数：

template

class SharedPtr {

public:

SharedPtr(SharedPtr&& p) {

this->ptr_ = p.ptr_;

this->ref_count_ = p.ref_count_;

p.ptr_ = nullptr;

p.ref_count_ = nullptr;

}

SharedPtr& operator=(SharedPtr&& p) {

clean();

this->ptr_ = p.ptr_;

this->ref_count_ = p.ref_count_;

p.ptr_ = nullptr;

p.ref_count_ = nullptr;

return *this;

}

};

在移动语义中，引用计数保持不变，同时清空原参数中的指针。

关于共享指针，到这里基本逻辑都已经实现完成，但还需要补充获取裸指针、获取引用计数等接口：

这样一个完整的智能指针大体已经实现完成，运行一下看看：

struct A { A() { std::cout << "A() \n"; } ~A() { std::cout << "~A() \n"; }};void test_simple_shared() { A* a = new A; SharedPtr ptr(a); { std::cout << ptr.use_count() << std::endl; SharedPtr b = ptr; std::cout << ptr.use_count() << std::endl; SharedPtr c = ptr; std::cout << ptr.use_count() << std::endl; SharedPtr d = std::move(b); std::cout << ptr.use_count() << std::endl; } std::cout << ptr.use_count() << std::endl;}int main() { test_simple_shared(); }

结果为：

template

class SharedPtr {

public:

int use_count() { return ref_count_->get(); }

T* get() const { return ptr_; }

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

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

operator bool() const { return ptr_; }

private:

T* ptr_;

SharedCount* ref_count_;

};

基本的shared_ptr完成后，再来写点有意思的，不知道大家有没有用过这几个指针转换函数：

struct A {

A() { std::cout << "A() \n"; }

~A() { std::cout << "~A() \n"; }

};

void test_simple_shared() {

A* a = new A;

SharedPtr ptr(a);

{

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

SharedPtr b = ptr;

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

SharedPtr c = ptr;

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

SharedPtr d = std::move(b);

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

}

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

}

int main() { test_simple_shared(); }

结果为：

A()

1

2

3

3

1

~A()

基本的shared_ptr完成后，再来写点有意思的，不知道大家有没有用过这几个指针转换函数：

template

std::shared_ptrstatic_pointer_cast(const std::shared_ptr& r) noexcept;

template

std::shared_ptrconst_pointer_cast(const std::shared_ptr& r) noexcept;

template

std::shared_ptrdynamic_pointer_cast(const std::shared_ptr& r) noexcept;

template

std::shared_ptrreinterpret_pointer_cast(const std::shared_ptr& r) noexcept;

我默认大家已经知道这几个函数的作用，这里直接研究一下它的实现：

template

class SharedPtr {

public:

private:

template

SharedPtr(const SharedPtr& p, T* ptr) {

this->ptr_ = ptr;

this->ref_count_ = p.ref_count_;

ref_count_->add();

}

T* ptr_;

SharedCount* ref_count_;

};

template

SharedPtrstatic_pointer_cast(const SharedPtr& p) {

T* ptr = static_cast(p.get());

return SharedPtr(p, ptr);

}

SharedPtr<T>和SharedPtr<U>不是一个类，所以上面的代码会稍微有点问题，p无法访问它的private成员变量ref_count，那怎么解决呢?上友元：

template

class SharedPtr {

public:

template

friend class SharedPtr;

};

上面的代码还是云服务器提供商有问题，因为SharedPtr(const SharedPtr& p, T* ptr)是private，static_pointer_cast无法访问，有两种办法，一是变成public，二是友元，这里还是友元更合理些，添加友元后的代码如下：

template

class SharedPtr {

public:

template

friend class SharedPtr;

template

friend SharedPtrstatic_pointer_cast(const SharedPtr& p);

private:

template

SharedPtr(const SharedPtr& p, T* ptr) {

this->ptr_ = ptr;

this->ref_count_ = p.ref_count_;

ref_count_->add();

}

T* ptr_;

SharedCount* ref_count_;

};

template

SharedPtrstatic_pointer_cast(const SharedPtr& p) {

T* ptr = static_cast(p.get());

return SharedPtr(p, ptr);

}

再测试一下：

struct A {

A() { std::cout << "A() \n"; }

~A() { std::cout << "~A() \n"; }

};

struct B : A {

B() { std::cout << "B() \n"; }

~B() { std::cout << "~B() \n"; }

};

void test_cast_shared() {

B* a = new B;

SharedPtr ptr(a);

{

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

SharedPtr b = static_pointer_cast(ptr);

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

SharedPtr c = ptr;

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

SharedPtr d = ptr;

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

}

std::cout << ptr.use_count() << std::endl;

}

int main() { test_cast_shared(); }

结果为：

A()

B()

1

2

3

4

1

~B()

~A()

上面只实现了static_pointer_cast，其他xxx_pointer_cast的原理类似，大家应该也明白了吧。

C++还有个unique_ptr，这个相对于shared_ptr就简单多了，表示unique语义，没有引用计数的概念，因为不允许拷贝，原理就是禁止调用拷贝构造函数和拷贝赋值函数，直接贴代码吧：

template

class UniquePtr {

public:

UniquePtr(T* ptr) : ptr_{ ptr} { }

UniquePtr() : ptr_{ nullptr} { }

UniquePtr(const UniquePtr& p) = delete;

UniquePtr& operator=(const UniquePtr& p) = delete;

UniquePtr(UniquePtr&& p) {

this->ptr_ = p.ptr_;

p.ptr_ = nullptr;

}

UniquePtr& operator=(UniquePtr&& p) {

clean();

this->ptr_ = p.ptr_;

p.ptr_ = nullptr;

return *this;

}

T* get() const { return ptr_; }

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

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

operator bool() const { return ptr_; }

~UniquePtr() { clean(); }

private:

void clean() {

if (ptr_) delete ptr_;

}

T* ptr_;

};

重点其实只有这两个delete：

template

class UniquePtr {

public:

UniquePtr(const UniquePtr& p) = delete;

UniquePtr& operator=(const UniquePtr& p) = delete;

};

到这里已经实现了一个简单的shared_ptr和unique_ptr，希望对大家有所帮助，完整代码见这里：

​​https://github.com/chengxumiaodaren/cpp-learning/blob/master/src/test_shared_ptr.cc​​

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