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）
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）
版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 https://cloud.tencent.com/developer/article/1433315
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_ptr
template<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<Node> 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<Node> 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<Node>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