Указатель на переменную класса

Идея указателя на переменную класса заключается в том, что переменную можно однозначно идентифицировать не по ее непосредственному адресу, но по адресу содержащего ее объекта и смещению переменной внутри объекта. Если вы никогда не пользовались указателями на переменные класса, изучите следующий фрагмент как можно внимательнее.

class Foo { private:

int x; public:

static int& Foo::*X() { return &Foo::x; }

Foo f = new Foo; Создать экземпляр

int& Foo::*pm = Foo::X(); Вычислить смещение int

int& i = f->*pm; Применить смещение к экземпляру

Функция X() возвращает не ссылку на int, а смещение некоторого int в экземплярах класса Foo. Функция Foo::X() объявлена статической, поскольку относится не к конкретному экземпляру, а к классу в целом. Команда return &Foo ::x; определяет смещение конкретной переменной, x. В строке int& Foo::*pm = Foo::X(); объявляется переменная pm, которая содержит смещение переменной int класса Foo. Она инициализируется смещением, полученным от Foo::X(). Наконец, в строке int& i = f->*pm; смещение применяется к конкретному экземпляру для вычисления адреса конкретного int. Обратите внимание: значение pm само по себе бесполезно до тех пор, пока вы не примение его к объекту.

Все эти int& с таким же успехом можно заменить на int*. В любом случае все завершается косвенным получением адреса некоторой части объекта так, словно вы получили явный адрес переменной класса. Указатели на члены классов также могут применяться для косвенных ссылок на функции, а не на переменные класса, но это не относится к нашей теме - управление памятью. К тому же я не хочу взваливать на себя лишнюю головную боль.

pm = Foo::XO F->*pm

-t>

vtable

Последствия

Все сказанное обладает фундаментальными последствиями для управления памятью. Чтобы переместить объект в памяти, вам придется проследить за тем, чтобы перемещался вмещающий объект верхнего уровня, а не некоторый вложенный объект, адрес которого у вас имеется. Более того, при перемещении объекта придется обновлять все указатели - не только на сам объект, но и на все вложенные объекты и базовые классы.

Если вы хотите узнать, существуют ли ссылки на некоторый объект, придется искать указатели не только на начало объекта, но и на все его переменные и базовые классы.

Поиск указателей

Итак, теперь мы знаем, с какими разными указателями нам придется иметь дело. Как же отыскать их все? Чтобы переместить объект, нам придется обновить все указатели на него. Чтобы понять, доступен ли объект, придется собрать все указатели.

Специализированные пространства памяти для указателей

Одно из «силовых» решений - сложить все указатели в одно место, где их будет легко найти. В свою очередь, это подразумевает, что все указатели должны быть умными и храниться в специальных пространствах памяти. Эти пространства должны быть организованы так, чтобы вы могли перебрать их

содержимое (то есть создать итерацию для набора умных указателей). В классах все эти *-указатели заменяются дескрипторами или ссылками на умные указатели, поскольку сами указатели должны находиться в отдельном пространстве. В следующем фрагменте программы P и H представляют собой стандартные указатели и дескрипторы соответственно, за исключением того, что P сохраняет экземпляры указателей в специальном пространстве памяти. Эта методика хорошо подойдет и для невидимых указателей, если для их сохранения в надежном, хорошо известном месте будет использована одна из методик нестандартных пространств памяти. Указатель P обычно является ведущим, но это не обязательно.

template <c1ass Type> class P { Указатель private:

Type* pointee; public:

void* operator new(size t);

void operator de1ete(void*);

Использует специальное пространство памяти Использует специальное пространство памяти

Все для умных указателей

template <c1ass Type> class H { Дескриптор private:

P<Type>* ptr; public:

Все для дескрипторов

class Foo { private:

P<Bar>& bar; Ссылка на умный указатель на Bar ИЛИ

H<Bar>& bar; Дескриптор Bar

В первом варианте мы храним ссылку на умный указатель, причем сам указатель, вероятно, хранится где-то в другом месте. Во втором варианте мы используем идиому дескриптора - умного указателя на умный указатель. Сам дескриптор находится в объекте, но указатель, на который он ссылается, - в специальном пространстве указателей, используемом операторами new и delete класса P. Если пространство указателей будет реализовано толково, все указатели можно будет перебирать прямо из него. В это случае задача перемещения объекта несколько упрощается (хотя и не становится простой), поскольку все указатели на него можно найти в пространстве указателей. Полная реализация этой методики приведена ниже в этой главе.

Скрытые коллекции указателей

Другое возможное решение - поддержать скрытые коллекции умных указателей. template <c1ass Type>

class P {

private:

static P<Type>* head; static P<Type>* tail; P<Type>* next;

P<Type>* previous;

Type* pointee;

Начало списка MP Конец списка

Следующий элемент списка Предыдущий элемент списка

public:

P(); Занести this в список

P(const P<Type>& p); Занести this в список

~P(); Удалить this из списка

P<Type>& operator=(const P<Type>& p); Не изменяя список,

скопировать p.pointee

Все для умных указателей

Вам придется соблюдать осторожность при выполнении операций со списком в конструкторе копий и операторе =, но во всем остальном реализация достаточно тривиальная. Используя этот шаблон, класс обходится без хранения ссылок на умные указатели; он хранит их непосредственно.

class Foo { private:

P<Bar> bar; Указатель автоматически заносится в скрытую коллекцию

При конструировании Foo вызывается соответствующий конструктор P, который автоматически заносит bar в скрытую коллекцию. При уничтожении Foo вызывает деструктор P, который удаляет bar из коллекции. Разумеется, вместо двусвязного списка можно воспользоваться другими структурами данных. Кроме того, как вы вскоре убедитесь, для всех этих специализированных указателей стоит создать общий базовый класс и сохранить их все в одной коллекции. В приведенном выше фрагменте для каждого типа указателя создается отдельная коллекция.

Анализ экземпляров

Более радикальный подход - использовать самые обычные указатели и предусмотреть средства для перебора всех указателей, внедренных в экземпляр.

class Foo { private:

Bar* bar;

В данной схеме это разрешается, при условии, что какая-то очень сложная архитектура сможет определить Bar* по имеющемуся Foo. Чтобы реализовать ее, нам понадобится код, который знает структуру каждого экземпляра (а точнее, умеет находить переменные класса, которые являются адресами или могут содержать адреса посредством рекурсии), и возможность точно определить тип указываемого объекта. Например, успешно найденный bar не поможет, если вы не знаете, с чем имеете дело - с настоящим Bar или каким-то классом, производным от Bar. В производном классе могут появиться дополнительные указатели, отсутствующие в Bar.

Мы еще вернемся к этому решению, но если бы это была реклама автомобиля, то в нижней части экрана вы бы увидели предупреждение: «Профессиональный каскадер на закрытом треке. Не пытайтесь повторить в домашних условиях». Тем не менее, во многих ситуациях простые решения не работают, поэтому в следующей главе мы с головой нырнем в эту схему.

Стековые переменные

Конечно, не все указатели являются членами объектов. Некоторые из них - обычные переменные, находящиеся в стеке. Разумеется, решение со специальными пространствами для стековых переменных не подойдет, если только они не являются дескрипторами или ссылками на умные указатели, хранящиеся в другом месте. Скрытые коллекции с тем же успехом будут работать для указателей, хранящихся в стеке или куче - при условии, что вы организуете обработку исключений, которая будет правильно раскручивать стек. Особого обращения требует лишь одна переменная this, значение которой задается компилятором, а не вашим кодом, работающим с умными указателями. Стековые переменные значительно усложняют решение с анализом экземпляров, поскольку вам также придется разрабатывать отдельную схему обнаружения или хотя бы предотвращения коллизий.