从零开始学C++之对象语义与值语义、资源管理（RAII、资源所有权）、模拟实现auto_ptr<class>、实现Ptr_vector

一、对象语义与值语义

1、值语义是指对象的拷贝与原对象无关。拷贝之后就与原对象脱离关系,彼此独立互不影响（深拷贝）。比如说int，C++中的内置类型都是值语义，前面学过的三个标准库类型string,vector,map也是值语义

2、对象语义指的是面向对象意义下的对象

对象拷贝是禁止的(Noncopyable)
OR
一个对象被系统标准的复制方式复制后，与被复制的对象之间依然共享底层资源，对任何一个的改变都将改变另一个（浅拷贝）

3、值语义对象生命期容易控制

4、对象语义对象生命期不容易控制（通过智能指针来解决，见本文下半部分）。智能指针实际上是将对象语义转化为值语义，利用局部对象（智能指针）的确定性析构，包括auto_ptr, shared_ptr, weak_ptr, scoped_ptr。

5、值语义与对象语义是分析模型决定的，语言的语法技巧用来匹配模型。

6、值语义对象通常以类对象的方式来使用，对象语义对象通常以指针或引用方式来使用

7、一般将只使用到值语义对象的编程称为基于对象编程，如果使用到了对象意义对象，可以看作是面向对象编程。

8、基于对象与面向对象的区别
很多人没有区分“面向对象”和“基于对象”两个不同的概念。面向对象的三大特点（封装，继承，多态）缺一不可。通常“基于对象”是使用对象，但是无法利用现有的对象模板产生新的对象类型，继而产生新的对象，也就是说“基于对象”没有继承的特点。而“多态”表示为父类类型的子类对象实例，没有了继承的概念也就无从谈论“多态”。现在的很多流行技术都是基于对象的，它们使用一些封装好的对象，调用对象的方法，设置对象的属性。但是它们无法让程序员派生新对象类型。他们只能使用现有对象的方法和属性。所以当你判断一个新的技术是否是面向对象的时候，通常可以使用后两个特性来加以判断。“面向对象”和“基于对象”都实现了“封装”的概念，但是面向对象实现了“继承和多态”，而“基于对象”没有实现这些。

假设现在有这样一个继承体系：

其中Node，BinaryNode 都是抽象类，AddNode 有两个Node* 成员，Node应该实现为对象语义：
（一）：禁止拷贝。
比如
AddNode ad1(left, right);
AddNode ad2(ad1);
假设允许拷贝且没有自己实现拷贝构造函数（默认为浅拷贝），则会有两个指针同时指向一个Node对象，容易发生析构两次的运行时错误。

下面看如何禁止拷贝的两种方法：
方法一：将Node 的拷贝构造函数和赋值运算符声明为私有，并不提供实现

//抽象类class Node{public:    Node() { }    virtual double Calc() const = 0;    virtual ~Node(void) {}private:    Node(const Node &);    const Node &operator=(const Node &);};//抽象类class BinaryNode : public Node{public:    BinaryNode(Node *left, Node *right)        : left_(left), right_(right) {}    ~BinaryNode()    {        delete left_;        delete right_;    }protected:    Node *const left_;    Node *const right_;};class AddNode: public BinaryNode{public:    AddNode(Node *left, Node *right)        : BinaryNode(left, right) { }    double Calc() const    {        return left_->Calc() + right_->Calc();    }};class NumberNode: public Node{public:    NumberNode(double number): number_(number)    {    }    double Calc() const    {        return number_;    }private:    const double number_;};

此时如下的最后一行就会编译出错了：

NumberNode *left = new NumberNode(3);NumberNode *right = new NumberNode(4);AddNode ad1(left, right);AddNode ad2(ad1);

即要拷贝构造一个AddNode 对象，最远也得从调用Node类的拷贝构造函数开始（默认拷贝构造函数会调用基类的拷贝构造函数，如果是自己实现的而且没有显式调用，将不会调用基类的拷贝构造函数），因为私有，故不能访问。
需要注意的是，因为声明了Node类的拷贝构造函数，故必须实现一个构造函数，否则没有默认构造函数可用。

方法二：Node类继承自一个不能拷贝的类，如果有很多类似Node类的其他类，此方法比较合适

class NonCopyable{protected: //构造函数可以被派生类调用，但不能直接构造对象    NonCopyable() {}    ~NonCopyable() {}private:    NonCopyable(const NonCopyable &);    const NonCopyable &operator=(const NonCopyable &);};//抽象类,对象语义，禁止拷贝（首先需要拷贝NonCopyable)class Node : private NonCopyable{public:    virtual double Calc() const = 0;    virtual ~Node(void) {}};

注意NonCopyable 类的构造函数声明为protected，则不能直接构造对象，如NonCopyable nc; // error
但在构造派生类，如最底层的AddNode类时，可以被间接调用。
同样地，NonCopyable类的拷贝构造函数和赋值运算符为私有，故如 AddNode ad2(ad1); 编译出错。

二、资源管理
（一）、资源所有权
1、局部对象
资源的生存期为嵌入实体的生存期。
（1）、一个代码块拥有在其作用域内定义的所有自动对象（局部对象）。释放这些资源的任务是完全自动的（调用析构函数）。
如

void fun(){    Test t; //局部对象}

（2）、所有权的另一种形式是嵌入。一个对象拥有所有嵌入其中的对象。释放这些资源的任务也是自动完成（外部对象的析构函数调用内部对象的析构函数）。如

class A{    private:    B b; //先析构A，再析构b };

2、动态对象（new 分配内存）
（1）、对于动态分配对象就不是这样了，它总是通过指针访问。在它们的生存期内，指针可以指向一个资源序列，若干指针可以指向相同的资源。动态分配资源的释放不是自动完成的，需要手动释放，如delete 指针。
（2）、如果对象从一个指针传递到另一个指针，所有权关系就不容易跟踪。容易出现空悬指针、内存泄漏、重复删除等错误。

（二）、RAII 与 auto_ptr
一个对象可以拥有资源。在对象的构造函数中执行资源的获取（指针的初始化），在析构函数中释放（delete 指针）。这种技法把它称之为RAII（Resource Acquisition Is Initialization：资源获取即初始化），如前所述的资源指的是内存，实际上还可以扩展为文件句柄，套接字，互斥量，信号量等资源。
对应于智能指针auto_ptr，可以理解为一个auto_ptr对象拥有资源的裸指针，并负责资源的释放。
下面先来看auto_ptr 的定义：

// TEMPLATE CLASS auto_ptrtemplate<class _Ty>class auto_ptr{    ....    private:        _Ty *_Myptr;  // the wrapped object pointer}

实际上auto_ptr 是以模板方式实现的，内部成员变量只有一个，就是具体类的指针，即将这个裸指针包装起来。auto_ptr 的实现里面还封装了很多关于裸指针的操作，这样就能像使用裸指针一样使用智能指针，如->和* 操作；负责裸指针的初始化，以及管理裸指针指向的内存释放。
这样说还是比较难理解，可以自己实现一个模拟 auto_ptr 类的NodePtr 类，从中体会智能指针是如何管理资源的：
Node.h：

#ifndef _NODE_H_#define _NODE_H_class Node{public:    Node();    ~Node();    void Calc() const;};class NodePtr{public:    explicit NodePtr(Node* ptr = 0)        : ptr_(ptr) {}    NodePtr(NodePtr& other)        : ptr_(other.Release()) {}    NodePtr& operator=(NodePtr& other)    {        Reset(other.Release());        return *this;    }    ~NodePtr()     {         if (ptr_ != 0)            delete ptr_;     }    Node& operator*() const { return *Get(); }    Node* operator->() const { return Get(); }    Node* Get() const { return ptr_; }    Node* Release()    {        Node* tmp = ptr_;        ptr_ = 0;        return tmp;    }    void Reset(Node* ptr = 0)    {        if (ptr_ != ptr)        {            delete ptr_;        }        ptr_ = ptr;    }private:    Node* ptr_;};#endif // _NODE_H_

Node.cpp：

#include <iostream>#include "Node.h"Node::Node(){    std::cout << "Node ..." << std::endl;}Node::~Node(){    std::cout << "~Node ..." << std::endl;}void Node::Calc() const{    std::cout << "Node::Calc ..." << std::endl;}

main.cpp：

#include <iostream>using namespace std;#include "DebugNew.h"#include "Node.h"int main(void){    Node *p1 = new Node;    NodePtr np(p1);    np->Calc();    NodePtr np2(np);    Node *p2 = new Node;    NodePtr np3(p2);    np3 = np2; //np3先delete p2,接着接管p1;    return 0;}

从输出可以看出，通过NodePtr 智能指针对象包装了裸指针，NodePtr类通过重载-> 和 * 运算符实现如同裸指针一样的操作，如
np->Calc(); 程序中通过智能指针对象的一次拷贝构造和赋值操作之后，现在共有3个局部智能指针对象，但np 和 np2 的成员ptr_ 已经被设置为0；第二次new 的Node对象已经被释放，现在np3.ptr_ 指向第一次new 的Node对象，程序结束，np3局部对象析构，delete ptr_，析构Node对象。
从程序实现可以看出，Node 类是可以拷贝，而且是默认浅拷贝，故是对象语义对象，现在使用智能指针来管理了它的生存期，不容易发生内存泄漏问题。（程序中编译时使用了这里的内存泄漏跟踪器，现在new 没有匹配delete 但没有输出信息，说明没有发生内存泄漏）。

所以简单来说，智能指针的本质思想就是：用栈上对象（智能指针对象）来管理堆上对象的生存期。

在本文最前面的程序中，虽然实现了禁止拷贝，但如上所述，对象语义对象的生存期仍然是不容易控制的，下面将通过智能指针auto_ptr 来解决这个问题，通过类比上面NodePtr 类的实现可以比较容易地理解auto_ptr的作用：

//抽象类class Node{public:    Node() { }    virtual double Calc() const = 0;    virtual ~Node(void) {}private:    Node(const Node &);    const Node &operator=(const Node &);};//抽象类class BinaryNode : public Node{public:    BinaryNode(std::auto_ptr<Node>& left, std::auto_ptr<Node>& right)        : left_(left), right_(right) {}    ~BinaryNode()    {//        delete left_;//        delete right_;    }protected:    std::auto_ptr<Node> left_;    std::auto_ptr<Node> right_;};class AddNode: public BinaryNode{public:    AddNode(std::auto_ptr<Node>& left, std::auto_ptr<Node>& right)        : BinaryNode(left, right) { }    double Calc() const    {        return left_->Calc() + right_->Calc();    }};class NumberNode: public Node{public:    NumberNode(double number): number_(number)    {    }    double Calc() const    {        return number_;    }private:    const double number_;};

需要注意的是，在BinaryNode 中现在裸指针的所有权已经归智能指针所有，由智能指针来管理Node 对象的生存期，故在析构函数中不再需要delete 指针; 的操作。

对auto_ptr 做一点小结：
1、auto_ptr不能作为STL容器的元素
2、STL容器要求存放在容器中的元素是值语义，要求元素能够被拷贝。
3、auto_ptr的拷贝构造或者赋值操作会改变右操作数，因为右操作数的所有权要发生转移。
实际上auto_ptr 是值语义（将对象语义转换为值语义），auto_ptr 之所以不能作为STL容器的元素，关键在于第3点，即
auto_ptr的拷贝构造或者赋值操作会改变右操作数，如下的代码：

std::auto_ptr<Node> node(new Node);vector<std::auto_ptr<Node> > vec;vec.push_back(node);

在编译到push_back 的时候就出错了，查看push_back 的声明：
void push_back(const _Ty& _Val);
即参数是const 引用，在函数内部拷贝时不能对右操作数进行更改，与第3点冲突，所以编译出错。
其实可以这样来使用：

std::auto_ptr node(new Node);vector<Node *> vec;vec.push_back(node.release());

也就是先释放所有权成为裸指针，再插入容器，在这里再提一点，就是vector 只负责裸指针本身的内存的释放，并不负责指针指向内存的释放，假设一

个MultipleNode 类有成员vector<Node*> vec_; 那么在类的析构函数中需要遍历容器，逐个delete 指针; 才不会造成内存泄漏。

更谨慎地说，如上面的用法还是存在内存泄漏的 可能性。考虑这样一种情形：

vec.push_back(node.release()); 当node.release() 调用完毕，进而调用push_back 时，由这里知道，push_back 会先调用operater

new 分配指针本身的内存，如果此时内存耗尽，operator new 失败，push_back 抛出异常，此时裸指针既没有被智能指针接管，也

没有插入vector（不能在类的析构函数中遍历vector 进行delete 操作），那么就会造成内存泄漏。

为了解决这个潜在的风险，可以实现一个Ptr_vector 模板类，负责指针指向内存的释放：

Ptr_vector.h：

#ifndef _PTR_VECTOR_H_#define _PTR_VECTOR_H_#include <vector>#include <memory>template <typename T>class ptr_vector : public std::vector<T *>{public:    ~ptr_vector()    {        clear();    }    void clear()    {        std::vector<T *>::iterator it;        for (it = begin(); it != end(); ++it)            delete *it; //释放指针指向的内存        std::vector<T *>::clear(); //释放指针本身    }    void push_back(T *const &val)    {        std::auto_ptr<T> ptr(val);              // 用auto_ptr接管val所有权        std::vector<T *>::push_back(val);       // operator new        ptr.release();    }    void push_back(std::auto_ptr<T> &val)    {        std::vector<T *>::push_back(val.get());        val.release();    }};#endif // _PTR_VECTOR_H_

Ptr_vector 继承自vector 类，重新实现push_back 函数，插入裸指针时，先用局部智能指针对象接管裸指针所有权，如果

std::vector<T *>::push_back(val); 成功（operator new 成功），那么局部智能指针对象释放裸指针的所有权；如果

std::vector<T *>::push_back(val); 失败（operator new 失败），抛出异常，栈展开的时候要析构局部对象，此时局部智能指针对象的析构函数内会

delete 裸指针。

此外，在Ptr_vector 类中还重载了push_back，能够直接将智能指针作为参数传递，在内部插入裸指针成功后，释放所有权。

当Ptr_vector 对象销毁时调用析构函数，析构函数调用clear()，遍历vector<T*>，delete 裸指针。

此时，我们就可以如下地使用Ptr_vector：

std::auto_ptr node(new Node);Ptr_vector<Node> vec;vec.push_back(node.release());// vec.push_back(node);

这样就确保一定不会发生内存泄漏，即使push_back 失败也不会。

参考：
C++ primer 第四版
Effective C++ 3rd
C++编程规范

转载自http://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/9323739