02 | 自己动手，实现C++的智能指针

第一步：针对单独类型的模板

为了完成智能指针首先第一步的想法。

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。

但是

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

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

第二步：变成类模板

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

解决像不像指针的问题：

它不能用 * 运算符解引用

它不能用 -> 运算符指向对象成员

它不能像指针一样用在布尔表达式里

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

第三步：拷贝构造和赋值

第一种粗鲁的方式

解决了会对同一内存释放两次，通常情况下会导致程序崩溃的问题。

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

第二种移动所有权

大致实现如下

template <typename T>
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。

上面代码里的这种惯用法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。

还是不够完善，没有支持移动语义，于是继续进行修改如下

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

修改的地方：

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

到这里我们完成了一个C++11 的 unique_ptr 的基本行为。

第四步：unique_ptr的完善：子类指针向基类指针的转换

直接上代码，利用内置类型自己的判断来辅助完成转换

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

到这里我们完成了一个完整的unique_ptr的转换

第五步：unique_ptr转变为shared_ptr

多个不同的 shared_ptr 不仅可以共享一个对象，在共享同一对象时也需要同时共享同一个计数。当最后一个指向对象（和共享计数）的 shared_ptr 析构时，它需要删除对象和共享计数。我们下面就来实现一下

我们先来写出共享计数的接口：

class shared_count {
public:
  shared_count();
  void add_count();
  long reduce_count();
  long get_count() const;
};

class shared_count {
public:
  shared_count() : count_(1) {}
  void add_count()
  {
    ++count_;
  }
  long reduce_count()
  {
    return --count_;
  }
  long get_count() const
  {
    return count_;
  }

private:
  long count_;
};

大体框架：构造函数、析构函数和私有成员变量

template <typename T>
class smart_ptr {
public:
  explicit smart_ptr(T* ptr = nullptr)
    : ptr_(ptr)
  {
    if (ptr) {
      shared_count_ =
        new shared_count();
    }
  }
  ~smart_ptr()
  {
    if (ptr_ &&
      !shared_count_
         ->reduce_count()) {
      delete ptr_;
      delete shared_count_;
    }
  }

private:
  T* ptr_;
  shared_count* shared_count_;
};

构造函数跟之前的主要不同点是会构造一个 shared_count 出来。析构函数在看到 ptr_ 非空时（此时根据代码逻辑，shared_count 也必然非空），需要对引用数减一，并在引用数降到零时彻底删除对象和共享计数。原理就是这样，不复杂。

当然，我们还有些细节要处理。为了方便实现赋值（及其他一些惯用法），我们需要一个新的 swap 成员函数：

  void swap(smart_ptr& rhs)
  {
    using std::swap;
    swap(ptr_, rhs.ptr_);
    swap(shared_count_,
         rhs.shared_count_);
  }

赋值函数可以跟前面一样，保持不变，但拷贝构造和移动构造函数是需要更新一下的：

  smart_ptr(const smart_ptr& other)
  {
    ptr_ = other.ptr_;
    if (ptr_) {
      other.shared_count_
        ->add_count();
      shared_count_ =
        other.shared_count_;
    }
  }
  template <typename U>
  smart_ptr(const smart_ptr<U>& other)
  {
    ptr_ = other.ptr_;
    if (ptr_) {
      other.shared_count_
        ->add_count();
      shared_count_ =
        other.shared_count_;
    }
  }
  template <typename U>
  smart_ptr(smart_ptr<U>&& other)
  {
    ptr_ = other.ptr_;
    if (ptr_) {
      shared_count_ =
        other.shared_count_;
      other.ptr_ = nullptr;
    }
  }

除复制指针之外，对于拷贝构造的情况，我们需要在指针非空时把引用数加一，并复制共享计数的指针。对于移动构造的情况，我们不需要调整引用数，直接把 other.ptr_ 置为空，认为 other 不再指向该共享对象即可。

不过，上面的代码有个问题：它不能正确编译。编译器会报错，像：

fatal error: ‘ptr_’ is a private member of ‘smart_ptr<circle>’

错误原因是模板的各个实例间并不天然就有 friend 关系，因而不能互访私有成员 ptr_ 和 shared_count_。我们需要在 smart_ptr 的定义中显式声明：

  template <typename U>
  friend class smart_ptr;

第六步：指针类型转换

对应于 C++ 里的不同的类型强制转换：我们能不能让我们的智能指针同样支持这种转换？

static_cast   reinterpret_cast    const_cast   dynamic_cast

智能指针需要实现类似的函数模板。实现本身并不复杂，但为了实现这些转换，我们需要添加构造函数，允许在对智能指针内部的指针对象赋值时，使用一个现有的智能指针的共享计数。如下所示：

我们希望它达成的效果是：

template <typename T, typename U>
smart_ptr<T> dynamic_pointer_cast(
  const smart_ptr<U>& other)
{
  T* ptr =          　　　　　　　　　　　　//取出具体的指针
    dynamic_cast<T*>(other.get());
  return smart_ptr<T>(other, ptr);　　　　//再根据具体的指针来构造目标，借助构造函数来完成
}

补充一个构造函数

  template <typename U>
  smart_ptr(const smart_ptr<U>& other,
            T* ptr)
  {
    ptr_ = ptr;
    if (ptr_) {
      other.shared_count_
        ->add_count();
      shared_count_ =
        other.shared_count_;
    }
  }

总结代码

#include <utility>  // std::swap

class shared_count {  // 引用计数类
public:
  shared_count() noexcept
    : count_(1) {}
  void add_count() noexcept
  {
    ++count_;
  }
  long reduce_count() noexcept
  {
    return --count_;
  }
  long get_count() const noexcept
  {
    return count_;
  }

private:
  long count_;
};

template <typename T>    // 有计数功能的智能指针
class smart_ptr {
public:
  template <typename U>
  friend class smart_ptr;//模板类自身friend

  explicit smart_ptr(T* ptr = nullptr)
    : ptr_(ptr)
  {
    if (ptr) {　　　　　　// 如果指针为空，则不创建计数类
      shared_count_ =
        new shared_count();
    }
  }
  ~smart_ptr()
  {
    if (ptr_ &&
      !shared_count_
         ->reduce_count()) {
      delete ptr_;
      delete shared_count_;
    }
  }

  smart_ptr(const smart_ptr& other)　　　　　　　　// 相同指针类的拷贝赋值
  {
    ptr_ = other.ptr_;
    if (ptr_) {
      other.shared_count_
        ->add_count();
      shared_count_ =
        other.shared_count_;
    }
  }
  template <typename U>
  smart_ptr(const smart_ptr<U>& other) noexcept  // 不同指针类的拷贝赋值
  {
    ptr_ = other.ptr_;
    if (ptr_) {
      other.shared_count_->add_count();
      shared_count_ = other.shared_count_;
    }
  }
  template <typename U>
  smart_ptr(smart_ptr<U>&& other) noexcept    　　// 移动赋值函数
  {
    ptr_ = other.ptr_;
    if (ptr_) {
      shared_count_ =
        other.shared_count_;
      other.ptr_ = nullptr;// 设置为nullptr
    }
  }
  template <typename U>
  smart_ptr(const smart_ptr<U>& other,　　　　　　// 构造函数，经过验证可以动态转换之后的调用
            T* ptr) noexcept
  {
    ptr_ = ptr;
    if (ptr_) {
      other.shared_count_
        ->add_count();
      shared_count_ =
        other.shared_count_;
    }
  }
  smart_ptr&
  operator=(smart_ptr rhs) noexcept
  {
    rhs.swap(*this);
    return *this;
  }

  T* get() const noexcept
  {
    return ptr_;
  }
  long use_count() const noexcept
  {
    if (ptr_) {
      return shared_count_
        ->get_count();
    } else {
      return 0;
    }
  }
  void swap(smart_ptr& rhs) noexcept　　　　// 通过成员函数swap内部调用 std内部的标准swap
  {
    using std::swap;
    swap(ptr_, rhs.ptr_);
    swap(shared_count_,
         rhs.shared_count_);
  }

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

private:
  T* ptr_;
  shared_count* shared_count_;
};

template <typename T>
void swap(smart_ptr<T>& lhs,　　　　　　　　　　// 对对象方法进行封装
          smart_ptr<T>& rhs) noexcept
{
  lhs.swap(rhs);
}

template <typename T, typename U>
smart_ptr<T> static_pointer_cast(
  const smart_ptr<U>& other) noexcept
{
  T* ptr = static_cast<T*>(other.get());　　　　// 进行检验之后会调用构造函数
  return smart_ptr<T>(other, ptr);
}

template <typename T, typename U>
smart_ptr<T> reinterpret_pointer_cast(
  const smart_ptr<U>& other) noexcept
{
  T* ptr = reinterpret_cast<T*>(other.get());
  return smart_ptr<T>(other, ptr);
}

template <typename T, typename U>
smart_ptr<T> const_pointer_cast(
  const smart_ptr<U>& other) noexcept
{
  T* ptr = const_cast<T*>(other.get());
  return smart_ptr<T>(other, ptr);
}

template <typename T, typename U>
smart_ptr<T> dynamic_pointer_cast(
  const smart_ptr<U>& other) noexcept
{
  T* ptr = dynamic_cast<T*>(other.get());
  return smart_ptr<T>(other, ptr);
}

如果你足够细心的话，你会发现我在代码里加了不少 noexcept。这对这个智能指针在它的目标场景能正确使用是十分必要的。我们会在下面的几讲里回到这个话题。