如何在C++中实现自定义智能指针的内存回收策略

作者

C++ 标准库中的 std::shared_ptr 和 std::unique_ptr 已经为我们提供了很好的智能指针实现，但在某些特定场景下，我们可能需要对内存回收策略进行更细粒度的控制，例如自定义对象的销毁时机、延迟销毁或使用自定义内存池。本文将演示如何实现一个简易的自定义智能指针 CustomPtr，支持两种内存回收策略：即时销毁和延迟销毁（基于引用计数）。

1. 需求分析

  1. 即时销毁：当指针不再被使用时立即调用析构函数。
  2. 延迟销毁：在引用计数降至 0 时才销毁对象，但可以在对象生命周期内将回收策略切换为即时销毁。
  3. 线程安全：延迟销毁的引用计数操作需要是线程安全的。

2. 基础结构

我们先定义一个基类 IReleaser，所有回收策略实现都将继承自该接口。 

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>

class IReleaser {
public:
    virtual void release(void* ptr) = 0;
    virtual ~IReleaser() = default;
};

3. 即时销毁策略

即时销毁策略在 release 时直接调用 delete。 

template<typename T>
class ImmediateReleaser : public IReleaser {
public:
    void release(void* ptr) override {
        delete static_cast<T*>(ptr);
    }
};

4. 延迟销毁策略

延迟销毁需要一个线程安全的引用计数。我们使用 `std::atomic

`。 “`cpp template class DelayedReleaser : public IReleaser { public: DelayedReleaser() : ref_count_(0) {} // 增加引用计数 void addRef() { ref_count_.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); } // 减少引用计数并在计数为 0 时销毁 void release(void* ptr) override { if (ref_count_.fetch_sub(1, std::memory_order_acq_rel) == 1) { delete static_cast(ptr); } } private: std::atomic ref_count_; }; “` ### 5. 自定义智能指针实现 我们让 `CustomPtr` 与策略对象耦合。 “`cpp template class CustomPtr { public: // 构造函数 explicit CustomPtr(T* ptr = nullptr, IReleaser* releaser = nullptr) : ptr_(ptr), releaser_(releaser) { if (auto* dr = dynamic_cast*>(releaser_)) { dr->addRef(); // 初始化引用计数 } } // 拷贝构造 CustomPtr(const CustomPtr& other) : ptr_(other.ptr_), releaser_(other.releaser_) { if (auto* dr = dynamic_cast*>(releaser_)) { dr->addRef(); } } // 赋值 CustomPtr& operator=(const CustomPtr& other) { if (this != &other) { releaseCurrent(); ptr_ = other.ptr_; releaser_ = other.releaser_; if (auto* dr = dynamic_cast*>(releaser_)) { dr->addRef(); } } return *this; } // 析构 ~CustomPtr() { releaseCurrent(); } // 重载操作符 T& operator*() const { return *ptr_; } T* operator->() const { return ptr_; } T* get() const { return ptr_; } explicit operator bool() const { return ptr_ != nullptr; } private: void releaseCurrent() { if (ptr_ && releaser_) { releaser_->release(ptr_); } ptr_ = nullptr; } T* ptr_; IReleaser* releaser_; }; “` ### 6. 使用示例 “`cpp struct Widget { Widget() { std::cout imm; CustomPtr p1(new Widget, &imm); p1->say(); } // 作用域结束，立即销毁 // 延迟销毁 DelayedReleaser del; CustomPtr p2(new Widget, &del); { CustomPtr p3 = p2; // 拷贝，引用计数+1 p3->say(); } // p3 离开作用域，引用计数-1 // p2 仍然存在，引用计数>0，未销毁 std::cout 0，Widget 被销毁 } “` ### 7. 小结 通过策略模式和引用计数，我们实现了一个支持即时销毁和延迟销毁的自定义智能指针 `CustomPtr`。 – **即时销毁** 简单直接，适合资源不需要共享的场景。 – **延迟销毁** 通过线程安全的引用计数实现，适用于需要共享对象并在最后一次使用时销毁的场景。 如果需要进一步扩展，例如加入自定义内存池、懒加载或多线程同步等功能，只需在 `IReleaser` 基础上实现新的策略类即可。

发表评论