Ihor Kushnir - The C++ simplest smart pointers in depth

1. Детально про найпростіші
“розумні” вказівники C++
||
The C++'s simplest smart pointers
in depth

2. Керування пам'яттю в C++
 Ручне керування пам'яттю
 Отримання ресурсу є ініціалізація ==
Resource acquisition is initialization == RAII

3. RAII
 Кожен ресурс обгортається в клас, в якому:
 конструктор отримує ресурс і встановлює всі
інваріанти класу, або кидає виключення, якщо це
не вдається зробити
 деструктор звільняє ресурс і не кидає виключень
 Ресурс завжди зберігається в об'єкті RAII-
класу, який створений на стеку чи
тимчасовий, або має час існування
обмежений іншим таким об'єктом
 Безпека виняткових ситуацій == ES
 Полегшує ранній вихід із функції чи циклу

4. Переваги RAII над збирачем
сміття (GC)
 Уніформне керування ресурсами:
оперативна пам'ять, потік (thread), відкритий
сокет, відкритий файл, заблокований
мʼютекс, з'єднання із БД
 Передбачуваний час існування об'єкта
 Сміття
 Ефективне використання пам'яті
 Відсутність неконтрольованих затримок для
видалення сміття

5. Переваги збирача сміття над RAII
 GC простіше використовувати в простих
ситуаціях
 GC дозволяє ефективно реалізувати деякі
постійні (persistent) структури даних
 RAII вимагає дисципліни розробника
 Код багатьох програм написаний на древньому
C++, частково на C
 Видалення двічі (UB)
 Розіменування “висячого” вказівника (UB)
 Протікання пам'яті
 Навіть коректний код складно
модифікувати/рефакторити

6. Приклад “Тимчасовий вказівник” 1
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 return painter->showDonut();
5 }

7. Приклад “Тимчасовий вказівник” 2
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 const bool result = painter->showDonut();
5 delete painter;
6 return result;
7 }

8. Приклад “Тимчасовий вказівник” 3
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 if (!painter->hasKitchen())
5 return false;
6 const bool result = painter->showDonut();
7 delete painter;
8 return result;
9 }

9. Приклад “Тимчасовий вказівник” 4
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 if (!painter->hasKitchen()) {
5 delete painter;
6 return false;
7 }
8 const bool result = painter->showDonut();
9 delete painter;
10 return result;
11 }

10. Приклад “Тимчасовий вказівник” 5
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 try {
5 if (!painter->hasKitchen()) {
6 delete painter;
7 return false;
8 }
9 const bool result = painter->showDonut();
10 delete painter;
11 return result;
12 }
13 catch (...) {
14 delete painter;
15 throw;
16 }
17 }

11. Приклад “Тимчасовий вказівник” 6
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 try {
5 Kitchen * const kitchen = painter->makeKitchen();
6 if (!kitchen) {
7 delete painter;
8 return false;
9 }
10 const bool result = kitchen->showDonut();
11 delete kitchen;
12 delete painter;
13 return result;
14 }
15 catch (...) {
16 delete painter;
17 throw;
18 }
19 }

12. Приклад “Тимчасовий вказівник” 7
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 Kitchen * kitchen = nullptr;
5 try {
6 kitchen = painter->makeKitchen();
7 if (!kitchen) {
8 delete painter;
9 return false;
10 }
11 const bool result = kitchen->showDonut();
12 delete kitchen;
13 delete painter;
14 return result;
15 }
16 catch (...) {
17 delete kitchen;
18 delete painter;
19 throw;
20 }
21 }

13. Приклад “Тимчасовий вказівник” 2
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 const bool result = painter->showDonut();
5 delete painter;
6 return result;
7 }
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 using Ptr = const
std::unique_ptr<Painter>;
4 Ptr painter(makePainter(windowId));
5 return painter->showDonut();
6 }

14. Приклад “Тимчасовий вказівник” 4
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 if (!painter->hasKitchen()) {
5 delete painter;
6 return false;
7 }
8 const bool result = painter->showDonut();
9 delete painter;
10 return result;
11 }
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 using Ptr = const
std::unique_ptr<Painter>;
4 Ptr painter(makePainter(windowId));
5 if (!painter->hasKitchen())
6 return false;
7 return painter->showDonut();
8 }

15. Приклад “Тимчасовий вказівник” 5
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 try {
5 if (!painter->hasKitchen()) {
6 delete painter;
7 return false;
8 }
9 const bool result = painter->showDonut();
10 delete painter;
11 return result;
12 }
13 catch (...) {
14 delete painter;
15 throw;
16 }
17 }
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 using Ptr = const
std::unique_ptr<Painter>;
4 Ptr painter(makePainter(windowId));
5 if (!painter->hasKitchen())
6 return false;
7 return painter->showDonut();
8 }

16. Приклад “Тимчасовий вказівник” 7
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 Painter * const painter = makePainter(windowId);
4 Kitchen * kitchen = nullptr;
5 try {
6 kitchen = painter->makeKitchen();
7 if (!kitchen) {
8 delete painter;
9 return false;
10 }
11 const bool result = kitchen->showDonut();
12 delete kitchen;
13 delete painter;
14 return result;
15 }
16 catch (...) {
17 delete kitchen;
18 delete painter;
19 throw;
20 }
21 }
1 bool showDonut(int windowId)
2 {
3 using Ptr = const
std::unique_ptr<Painter>;
4 Ptr painter(makePainter(windowId));
5 using Kptr = const
std::unique_ptr<Kitchen>;
6 Kptr kitchen(painter->makeKitchen());
7 if (!kitchen)
8 return false;
9 return kitchen->showDonut();
10 }

17. Приклад “Інтерфейс” 1
1 // Interface 1
2 Cookie * makeCookie(int size);
3 bool showCookie(Cookie * cookie);
4
5 // Interface 2
6 Cookie * getCookie(int size);
7 bool eatCookie(Cookie * cookie);

18. Приклад “Інтерфейс” 2
1 // Interface 1
2 Cookie * makeCookie(int size);
3 bool showCookie(Cookie & cookie);
4
5 // Interface 2
6 Cookie & getCookie(int size);
7 bool eatCookie(Cookie * cookie);
1 // Interface 1
2 Cookie * makeCookie(int size);
3 bool showCookie(Cookie * cookie);
4
5 // Interface 2
6 Cookie * getCookie(int size);
7 bool eatCookie(Cookie * cookie);

19. Приклад “Інтерфейс” 3
1 // Interface 1
2 Cookie * makeCookie(int size);
3 bool showCookie(Cookie * cookie);
4
5 // Interface 2
6 Cookie * getCookie(int size);
7 bool eatCookie(Cookie * cookie);
1 // Interface 1
2 std::unique_ptr<Cookie> makeCookie(int size);
3 bool showCookie(Cookie * cookie);
4
5 // Interface 2
6 Cookie * getCookie(int size);
7 bool eatCookie(std::unique_ptr<Cookie> && cookie);

20. Приклад “Інтерфейс” 4
1 // Interface 1
2 std::unique_ptr<Cookie> makeCookie(int size);
3 bool showCookie(std::observer_ptr<Cookie> cookie);
4 // std::observer_ptr may land in C++2x
5 // Interface 2
6 std::observer_ptr<Cookie> getCookie(int size);
7 bool eatCookie(std::unique_ptr<Cookie> && cookie);
1 // Interface 1
2 std::unique_ptr<Cookie> makeCookie(int size);
3 bool showCookie(Cookie * cookie);
4
5 // Interface 2
6 Cookie * getCookie(int size);
7 bool eatCookie(std::unique_ptr<Cookie> && cookie);

21. Приклад “Користувач” 3
2 std::unique_ptr<Cookie> makeCookie(int size);
7 bool eatCookie(std::unique_ptr<Cookie> && cookie);
1 auto cookie = makeCookie(47);
2 cookie->coverWithCream();
3 if (eatCookie(std::move(cookie)))
4 std::cout << "Yum!n";

22. Приклад “Користувач” 1
2 Cookie * makeCookie(int size);
7 bool eatCookie(Cookie * cookie);
1 auto * cookie = makeCookie(47);
2 try {
3 cookie->coverWithCream();
4 }
5 catch (...) {
6 delete cookie;
7 throw;
8 }
9 if (eatCookie(cookie)) {
10 std::cout << "Yum!n";
11 cookie = nullptr;
12 }
13 else
14 delete cookie;

23. Ефективність unique_ptr
 Реалізація unique_ptr використовує Empty
base optimization (EBO)
 Кожна операція над unique_ptr теоретично
повинна бути такою ж швидкою, як
відповідна операція над “голим” вказівником
 template <class T, class Deleter = std::default_delete<T>>
 class unique_ptr;
 sizeof(std::unique_ptr<T, Deleter>) == sizeof(T *)
 // (якщо Deleter — порожній клас)

24. unique_ptr чи стек?
 Варто оголошувати об'єкти на стеку у
функціях та за значенням у класах коли це
можливо: вбудовані типи, класи стандартної
бібліотеки, інші прості структури та класи. Це
простіше і ефективніше.
 Поліморфний об'єкт
 Вказівник на реалізацію (класу) ==
Pointer to implementation == Pimpl idiom ==
Opaque pointer

25. unique_ptr чи стек? (2)
 Потрібен стан відсутності - nullptr (краще
std::optional із C++17)
 Адреса об'єкта повинна бути сталою, але
власник об'єкта може змінюватись
 Переміщення об'єкту повільне або
неможливе
 Потрібне особливе видалення (custom
deleter)

26. Приклад “Особливе видалення”
1 // Interface
2 struct IppDeleter
3 {
4 void operator()(Ipp64f * p) const { ippsFree(p); }
5 };
6
7 using Ipp64fUniquePtr = std::unique_ptr<Ipp64f, IppDeleter>;
8
9 inline Ipp64fUniquePtr makeUniqueIpp64f(int len)
10 {
11 return Ipp64fUniquePtr(ippsMalloc_64f(len));
12 }
13
14 // Usage
15 auto factor = makeUniqueIpp64f(3);

27. Приклад make_unique (C++14)
1 // Interface
2 void combine(std::unique_ptr<A> && a, std::unique_pr<B> && b);
1 // Usage 1 (exception unsafe because of a possible interleaved order of
2 // execution of subexpressions in function parameters)
3 combine(std::unique_ptr<A>(new A(2)), std::unique_ptr<B>(new B));
4 combine(std::unique_ptr<A>(new A(2)), createB());
1 // Usage 2 (exception safe)
2 combine(std::make_unique<A>(2), std::make_unique<B>());
3 combine(std::make_unique<A>(2), createB());

28. Приклад make_unique 2 (C++14)
1 // Declaration
2 std::vector<std::unique_ptr<Biscuit>> biscuits;
1 // Usage 1 (line 2 is long; line 3 is exception unsafe: if emplace_back throws)
2 biscuits.push_back(std::unique_ptr<Biscuit>(new Biscuit));
3 biscuits.emplace_back(new Biscuit);
1 // Usage 2 (exception safe)
2 biscuits.push_back(std::make_unique<Biscuit>());
3 biscuits.emplace_back(std::make_unique<Biscuit>());
1 // "Naked" declaration
2 std::vector<Biscuit *> biscuits;
1 // "Naked" usage 1 (exception unsafe)
2 biscuits.push_back(new Biscuit);
1 // "Naked" usage 2 (exception safe)
2 biscuits.push_back(nullptr);
3 biscuits.back() = new Biscuit;
 Як щодо
асоціативних
контейнерів?
(std::set, std::map,
std::unordered_set
, std::multimap, ...)

29. std::auto_ptr
 Доступний в C++98
 Не інтуїтивна семантика копіювання
 Не може бути використаний в контейнерах
 Deprecated in C++11
 Removed in C++17
 Може бути легко замінений на unique_ptr

30. Приклад “Вказівник на реалізацію”
1 // Spacer.h
2 class Spacer
3 {
4 public:
5 Spacer();
6 ~Spacer();
7 // ...
8 private:
9 class Impl;
10 std::unique_ptr<Impl> impl_;
11 };
12
13 // Spacer.cpp
14 class Spacer::Impl
15 {
16 // ...
17 };
18 Spacer::Spacer() : impl_(std::make_unique<Impl>()) {}
19 // Destructor definition must be in the cpp file because the
20 // implicitly invoked Impl's destructor needs complete type
21 Spacer::~Spacer() = default;

31. Спеціалізація для масивів
 Зазвичай std::vector або std::string зручніші.
 Функція, яку не можна змінити (бібліотечна
функція), приймає/вертає вказівник на масив
 unique_ptr<T[]> ефективніший в деяких
ситуаціях:
 new T[n] виділяє пам'ять для рівно n елементів
 new T[n] не ініціює елементи, якщо T - POD
 template <class T, class Deleter> class unique_ptr<T[], Deleter>;

32. Ваші запитання