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C++11 智能指针语义

coder 2023-05-02 原文

我已经使用指针几年了，但直到最近我才决定过渡到 C++11 的智能指针(即唯一、共享和弱指针)。我对它们进行了相当多的研究，这些是我得出的结论:

  1. 独特的指针很棒。它们管理自己的内存，并且像原始指针一样轻量级。尽可能选择 unique_ptr 而不是原始指针。
  2. 共享指针很复杂。由于引用计数，它们有很大的开销。通过 const 引用传递它们或对你的方式错误感到遗憾。它们并不邪恶，但应谨慎使用。
  3. 共享指针应该拥有对象；在不需要所有权时使用弱指针。锁定weak_ptr 的开销与shared_ptr 复制构造函数的开销相当。
  4. 继续忽略 auto_ptr 的存在，反正现在已经弃用了。

因此，考虑到这些原则，我着手修改我的代码库以利用我们新的 Shiny 智能指针，完全打算清除尽可能多的原始指针。然而，我对如何最好地利用 C++11 智能指针感到困惑。

假设我们正在设计一个简单的游戏。我们认为将虚构的 Texture 数据类型加载到 TextureManager 类中是最佳的。这些纹理很复杂，因此按值传递它们是不可行的。此外，让我们假设游戏对象需要特定的纹理，具体取决于其对象类型(即汽车、船等)。

之前，我会将纹理加载到 vector (或其他容器，如 unordered_map)中，并将指向这些纹理的指针存储在每个相应的游戏对象中，以便它们在需要渲染时可以引用它们。让我们假设纹理保证比它们的指针生命周期更长。

那么，我的问题是如何在这种情况下最好地利用智能指针。我看到几个选项:

  1. 将纹理直接存储在容器中，然后在每个游戏对象中构造一个 unique_ptr。

    class TextureManager {
  public:
    const Texture& texture(const std::string& key) const
        { return textures_.at(key); }
  private:
    std::unordered_map<std::string, Texture> textures_;
};
class GameObject {
  public:
    void set_texture(const Texture& texture)
        { texture_ = std::unique_ptr<Texture>(new Texture(texture)); }
  private:
    std::unique_ptr<Texture> texture_;
};

    然而，我对此的理解是，新纹理将从传递的引用中复制构造，然后由 unique_ptr 拥有。这让我觉得非常不受欢迎，因为我会拥有与使用它的游戏对象一样多的纹理拷贝——破坏指针的点(不是双关语)。

  2. 不直接存储纹理，而是将它们的共享指针存储在容器中。使用 make_shared 来初始化共享指针。在游戏对象中构造弱指针。

    class TextureManager {
  public:
    const std::shared_ptr<Texture>& texture(const std::string& key) const
        { return textures_.at(key); }
  private:
    std::unordered_map<std::string, std::shared_ptr<Texture>> textures_;
};
class GameObject {
  public:
    void set_texture(const std::shared_ptr<Texture>& texture)
        { texture_ = texture; }
  private:
    std::weak_ptr<Texture> texture_;
};

    与 unique_ptr 的情况不同，我不必自己复制构造纹理，但渲染游戏对象的成本很高，因为我每次都必须锁定weak_ptr(与复制构造新的shared_ptr 一样复杂)。

总而言之，我的理解是:如果我要使用唯一指针，我将不得不复制构造纹理；或者，如果我要使用共享指针和弱指针，我将不得不在每次绘制游戏对象时复制构造共享指针。

我知道智能指针本质上会比原始指针更复杂，所以我一定会在某个地方蒙受损失，但这两种成本似乎都比它们应该的要高。

谁能指点我正确的方向？

抱歉，阅读时间长，感谢您的宝贵时间!

最佳答案

即使在 C++11 中，原始指针仍然完全有效作为对对象的非拥有引用。在您的情况下，您是在说“让我们假设纹理保证比它们的指针生命周期更长。”这意味着您可以完全安全地使用指向游戏对象中纹理的原始指针。在纹理管理器中，自动存储纹理(在保证内存中位置不变的容器中)或 unique_ptrs 的容器中。

如果指针生命周期延长保证无效有效，将纹理存储在管理器中的 shared_ptr 和在游戏对象中使用 shared_ptrs 或 weak_ptrs，具体取决于游戏对象关于纹理的所有权语义。您甚至可以将其反转 - 将 shared_ptrs 存储在对象中，将 weak_ptrs 存储在管理器中。这样，管理器将用作缓存 - 如果请求纹理并且其 weak_ptr 仍然有效，它将给出它的拷贝。否则，它将加载纹理，给出一个 shared_ptr 并保留一个 weak_ptr。

关于C++11 智能指针语义，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/19929970/

amp43codeptrtexturec++pointersc++11smart-pointers

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