智能指针之设计模式1

本文探讨一下智能指针和GOF设计模式的关系，如果按照设计模式的背后思想来分析，可以发现围绕智能指针的设计和实现有设计模式的一些思想体现。当然，它们也不是严格意义上面向对象的设计模式，毕竟它们没有那么分明的类层次体系，和GOF经典设计模式在外在形式上有所差别，重点是理解设计模式的思想在它们身上的体现，以及怎样帮助它们实现意图的。

限于篇幅，分成了几篇文章来介绍，先从对象的创建开始。

1、工厂模式

工厂模式是把创建对象和使用对象的职责分离了，它们可以控制对象的创建过程，封装了创建细节，让用户不再关心具体对象的创建过程。

C++标准库提供了一些辅助函数和辅助类来创建智能指针对象，它们都是工厂方法或者工厂类。创建unique_ptr和shared_ptr除了使用常规的构造函数之外，还提供了三个工厂方法：make_shared()、make_unique()和allocate_shared()，它们都是简单工厂方法；此外，为了能够从一个shared_ptr对象的内部，通过this指针创建一个shared_ptr对象，工厂类enable_shared_from_this<T>还提供了成员函数shared_from_this()作为工厂方法。

那么，使用工厂模式创建智能指针对象有什么好处呢？

首先，通过工厂方法可以给创建过程起一个富有表达力、自解释的名称，能有效地帮助程序员容易使用，甚至无需提供阅读文档接口，而类的构造函数必须和类名完全一样，无法能够见文知意。make_shared()和make_unique()，一看就知道是创建shared_ptr和unique_ptr对象，更具特色的是shared_from_this()，通过它的名称就应该知道这个函数是通过this指针来创建shared_ptr对象，既然有this字眼，也能知道应该是在一个类的内部使用。

其次，关注点分离，分离了创建智能指针和使用智能指针的职责，让程序员不再关心智能指针对象的创建过程，不再关心是如何创建出来的，程序员把关注点放在智能指针的使用上面，减轻了程序员的心智负担。有人说，C++有了智能指针之后，就不应该在程序中出现new和delete了，可能说的绝对了点，但显然工厂方法make_shared()和make_unique()给了他这样说的底气。

再者，工厂模式可以控制智能指针对象的创建过程，这也是核心意图，它的作用有下面几点：

1、保证在堆中创建资源对象
智能指针缺省要求管理的资源对象是在堆中创建的对象，如果把一个指向栈上创建的对象的指针，让unique_ptr或shared_ptr去管理，最后在析构时会发生异常，显然是不对的。如何避免程序员无意中犯这样错误？那么作为控制对象创建过程的工厂模式，用在这儿再合适不过了。由工厂方法来控制智能指针对象的创建过程，程序员在make_unique和make_shared工厂函数中只传递创建资源对象相关参数就行了，即保证智能指针管理的肯定是使用new操作符创建的对象，这样就保证了程序的安全性。

2、保证创建过程中资源对象不泄露
make_unique()和make_shared()能够保证资源对象的释放安全，我们稍加留意就会发现，无论是shared_ptr类还是unique_ptr类，在它们的构造函数中都没有同时初始化对象资源，对象资源是在外部使用new操作符在堆上创建之后，以裸指针的形式作为构造函数的参数来创建智能指针对象，也就是说资源对象的创建和智能指针对象的创建，它们不是一体的，它们之间是有空隙的，如果在这个间隙中有别的代码运行，并发生了异常，可能会造成资源泄漏。比如（这个例子来自Effective Modern C++ 条款21）：

processWidget(std::shared_ptr<Widget>(new Widget), computePriority());

因为编译器在编译时，可能是按照下面的顺序生成代码：1、实施“new Widget”，2、执行computePriority()，3、运行std::shared_ptr构造函数。如果生成了这样的代码，并且在运行时computePriority()发生了异常，那么在第1步动态分配的Widget对象会被泄露，因为它没有机会被存储到第3步才接管它的shared_ptr对象中去。如果使用make_shared()工厂方法来创建shared_ptr对象，就不会有潜在的资源泄露风险了：

processWidget(make_shared<Widget>(), computePriority());

使用make_unique和make_shared让unique_ptr和shared_ptr在创建对象时就同时获取了资源，即获取资源即初始化（符合了RAII惯例的字面意思）。

3、创建时优化内存空间布局
工厂方法make_shared()在创建shared_ptr对象时，还可以对内存布局进行优化。shared_ptr对象包含了两个指针成员，一个指向资源对象，一个指向控制块，需要进行两次new操作才能初始化完，在访问时需要分别进行两次指针解引用。如果资源对象和控制块分配在同一个内存块中，这样就有更好的空间局部性，对cache更友好。在make_shared()内部可以进行控制这个实现过程，把控制块的大小与资源的大小的和作为分配内存空间的大小，new一次就行了，然后分别让资源对象指针和控制块指针分别指向它们所在的位置，并初始化。让内存空间更紧凑，节省了内存空间，同时因为有更好的cache局部性，也提高了访问速度。

4、保证安全创建智能指针对象
weak_ptr类的lock()成员函数也是创建shared_ptr对象的一个工厂方法，控制的是从一个还没有销毁资源对象的shared_ptr对象中创建另一个shared_ptr对象。在多线程环境下，增加shared_ptr对象的引用计数和把控制块指针、资源对象指针作为参数创建shared_ptr对象时，它们不是原子操作，在多线程下会存在data race。因此，在创建时需要保证线程安全，显然交给程序员在外面实现是不现实的，那就把它封装在一个工厂方法中，让它来控制shared_ptr的创建过程，保证创建过程的线程安全。

enable_shared_from_this<T>类的成员函数shared_from_this()也是创建shared_ptr对象的一个工厂方法，控制的是通过资源对象的this指针来创建shared_ptr对象。它保证了是从一个已有的shared_ptr对象中创建的，如果不是，则会抛出异常；同时也保证了不会发生同一个this指针被多个不同shared_ptr对象管理生存期的错误，否则，如果用户在外部随便把this指针作为参数去调用shared_ptr构造函数，可能是重复管理，而发生错误。

最后，智能指针是裸指针的包装类，而裸指针又指向资源对象，控制创建智能指针对象的过程，实际上也是在控制创建资源对象的过程。例如，工厂模式在控制智能指针对象的创建过程同时，也控制了资源对象使用new在堆上创建，如make_unique()和make_shared()，也控制了shared_ptr对象从this指针创建的过程，如shared_from_this()。

工厂模式控制了智能指针和资源对象的创建过程，那么销毁工作又是如何实现的呢？下一篇文章继续介绍。