如何将指针语义添加到C++ STL中？

Question

我最近正在研究C++ STL，我将讨论一个使用

deque

的例子。请注意，

deque

只是一个示例，我们还可以使用

vector

或其他。

背景

最小的可重现示例是一个简单的多队列生产者-消费者问题。考虑一个可以自己洗衣服的智能洗衣机，以及一个可以从洗衣机中取出衣服并烘干的智能烘干机。洗衣机可以被认为是多件未洗衣服的队列，而烘干机可以被认为是已洗衣服的队列。

令

class Clothes

为衣服单位。生产者将不断生成

Clothes

并将它们添加到洗衣机队列中。当洗衣机完成一件

Clothes

后，它会将其移除并将其添加到烘干机队列中。

问题

如果我们用 C 语言来做这件事，使用指针 (

malloc()

) 和链表会很简单。通过移动指针，我们可以保证不会分配重复的

Clothes

。当我们完成后，我们可以简单地调用

free()

。

我们可以在 C++ STL 中做同样的事情吗？实现这一目标的推荐方法是什么？

我尝试过什么以及什么让我感到困惑

我运行了一些测试，发现 C++ STL 自己处理内存分配和释放，这让我很困惑。

例如，（假设我们在这种情况下使用

deque

）：

std::deque<Clothes> washer = {...}; // only 1 object 
std::deque<Clothes> dryer; // empty

// case 1: copy constructor is invoked, 2 memory locations occupied
Clothes c = washer.front();

washer.pop_front(); // destructor is invoked, I think this corresponds to the original Clothes

上面调用了复制构造函数并产生 1 个重复的副本。操作

pop_front()

隐式调用

Clothes

对象的析构函数。但它不会影响

c

，因为它是由复制构造函数构造的。现在，

Clothes

的数量仍然是一个。

// case 2: copy constructor is not invoked
Clothes &c = washer.front();

washer.pop_front(); // destructor is invoked again, but there is only one Clothes object

上面的代码通过引用获取

washer

中的第一个对象，并没有调用复制构造函数。我假设现在仍然只有一个

Clothes

对象。然而，当我们调用

pop_front()

时，会调用

Clothes

的析构函数。我尝试通过

Clothes

访问

c.val

对象中的一些字段（假设

val

是

Clothes

中的字段），我发现我仍然可以访问它，这意味着

Clothes c

没有被破坏。这就是为什么我很困惑。为什么调用析构函数，哪个

Clothes

对象被析构？

我的想法

我认为情况1可能是正确的方法，但情况2似乎也是正确的，尽管发生了一些意想不到的事情。

Answer 1

代码中的问题：

您是正确的，在情况 1 中创建了

Cloths

的副本。 您也是正确的，在情况 2

c

中没有复制。
但是，在情况 2 中，

c

是对已破坏对象的悬空引用，访问它会导致 未定义的行为。这意味着任何事情都可能发生，包括“工作”代码的出现。

解决方案：

您可以使用

std::shared_ptr<Clothes>

作为容器中的元素。这将避免复制

Clothes

对象并产生悬空引用。

std::shared_ptr

自动管理对象（在本例中为

Clothes

类型）的生命周期。当不再需要时它将被释放（这是通过为每个对象保留引用计数来完成的）。
请注意，创建

shared_ptr

的推荐方法是通过

std::make_shared

。

#include <deque>
#include <memory>

class Clothes 
{ 
    // ...
};

int main_() 
{
    std::deque<std::shared_ptr<Clothes>> washer = { std::make_shared<Clothes>() }; 
    std::deque<std::shared_ptr<Clothes>> dryer;

    auto c = washer.front();        
    washer.pop_front();             
    dryer.push_back(c);
}

最后注意，还有

std::unique_ptr

，它支持单个所有者，并且不能复制（只能移动）。然而，在这种情况下，在我看来，

std::shared_ptr

使用起来更直接。