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C++11 - 所有权和访问器

c++c++11shared-ptrunique-ptrownership
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我刚接触C++，但还不太理解所有权的概念，尤其是在使用getter时。以下是一些示例代码：

class GameObject {
public:
  Transform *transform();
private:
  Transform _transform;
};

我猜原始指针的使用是不安全的，因为当对象不再存在时，其他人仍然可以访问它？

  1. 因此，我考虑对transform成员使用unique_ptr，因为GameObject是唯一拥有transform的对象。但是我能从getter中返回它吗？但是反过来，为什么我要首先使用unique_ptr，而不是像上面那样将其添加为成员变量呢？

  2. 那为什么不能使用shared_ptr呢？这让我感到很奇怪，因为我不想共享所有权，GameObject才是owner，而其他人可能会访问它...

  3. 那它是什么？引用吗? 我猜shared_ptr似乎是最明智的选择, 因为其他人可以安全地保留对transform的引用，但如果包含的GameObject被销毁了，渲染transform就变得无用了。也许我的所有权思路有问题，但每种可能性似乎都不正确。谢谢您的帮助。

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你可以通过shared_ptr存储_transform成员，并从getter函数返回weak_ptr。 - inkooboo
5个回答
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很明显（或者应该明显）对于任何阅读您的类定义的人来说，GameObject拥有一个transform。您所说的“共享所有权”既不隐含也不需要。由于从GameObject中获取transform永远不可能失败，因此您不需要像指针（原始或其他方式）一样表达可能为null的情况，所以返回一个（可能的）引用const似乎是最惯用的方法。
您说原始指针是不安全的，但它并不比任何其他直接访问方法更不安全。无论您如何提供访问所拥有的transform对象的方式（而不是其副本），都会给客户端机会获取其地址并在拥有者GameObject的生命周期之外存储它。真正取决于客户端是否做出愚蠢的事情。无法绝对地预防这种情况，因此您应该使接口简单、清晰且难以意外地使用不正确。
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+1 是为了设计解决方案，使得难以出现错误。这是 Boost 库的核心理念。 - Vite Falcon
大家的回答都很好，非常感谢！ @Balog Pal：那么就会涉及到复制吗？ - cboe
@cboe：是的，这就是重点。你避免了“泄漏内部细节”。除非获取的成员是一个集合，否则在大多数情况下几乎不会注意到复制。 - Balog Pal
@BalogPal：是的，按值返回肯定可以避免任何生命周期问题；我做出了隐含的假设，即转换更多地是实体而不是值，但这并不一定是正确的假设。 - CB Bailey
绝对是实体比值更重要，但我甚至没有考虑过 :) 谢谢 - cboe
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我认为重要的是你的设计模型表明Transform对象被其GameObject所拥有。

如果不打算共享所有权（换句话说，如果Transform对象的生命周期严格绑定在拥有它的唯一GameObject的生命周期中），那么我会避免使用shared_ptr。

在我看来，你已经做出了正确的选择：只需具有Transform类型的子对象。但是，返回引用而不是原始指针：

class GameObject {
public:
    Transform& transform();
private:
    Transform _transform;
};

这是表达您提供了访问但不提供所有权的 _transform 子对象的最清晰方式。

客户端不必担心诸如“我应该何时以何种方式删除此对象？而且我是否应该删除它？”这样的问题，因为您的接口已经清楚地表明：没有所有权，也没有责任。

另一方面，可能会有原因阻止您这样做。一个可能的原因是，GameObject 可能拥有或不拥有 Transform 对象。如果是这种情况，则可以使用 unique_ptr 代替（并返回一个空指针）。

使用 unique_ptr 的另一个原因可能是需要推迟构造 Transform 子对象，因为构造函数接受一些需要计算的值，不能在构造函数的初始化列表中提供。

总体而言，除非有充分的理由，否则请优先采用最简单的解决方案并嵌入类型为 Transform 的子对象，提供一个引用即可。

你能解释一下倒数第二段吗？如果使用unique pointer，返回类型应该是一个unique_ptr，它将被“移动”到客户端吗？ - Koushik Shetty
@Koushik：如果Transform的构造函数必须使用需要一些非平凡计算的参数进行调用，并且这个计算不能在GameObject的构造函数的初始化列表中执行，或者最好放在构造函数的主体中，则无法初始化Transform子对象。当然，如果Transform有一个默认构造函数，那么我们可以让_transform子对象被默认构造，然后在主体中重新分配或修改它。 - Andy Prowl
@Koushik：甚至可以由客户端创建Transform对象，并通过unique_ptr传递给GameObject。无论如何，GameObject都不会通过返回unique_ptr来提供对所拥有的_transform指针的访问。返回unique_ptr将意味着转移所有权，这在这里是不希望的。GameObject将返回引用或原始指针（取决于是否始终嵌入了GameObject的Transform对象）。 - Andy Prowl
我理解那部分，但unique_ptr如何用于推迟transform的构建是我不理解的。 - Koushik Shetty
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经验法则：只有在绝对不能避免的情况下才需要考虑指针和所有权。C++具有良好的值语义（通过const ref扩展），因此在需要指针、智能指针或者裸指针之前，可以做得很远。

在您的例子中，_transform作为直接成员非常好。如果您需要getter，则可以创建它。

Transform transform() const {return _transform; }

在一些特殊情况下，可能需要

const Transform& transform() const {return _transform; }

如果有正当理由，请附上终身文档。

而且，显然最好的方法是根本不使用getter。面向对象编程是关于行为的，让你的类完成工作，而不是将其用作数据转储，不断从外部进行查询。

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当需要所有权转移时，就需要一个指针。这听起来比你的经验法则更易理解。 - aggsol
我看不出任何矛盾。有一些好的线程列出了指针使用是不可避免的情况，你的情况在列表中。 - Balog Pal
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所有权和裸指针？

智能指针通常具有所有权语义，因此在不想给予/共享所有权时使用它们是一个坏主意。

在我自己的代码中，我决定以下约定：

裸指针表示没有所有权转移/共享

这意味着如果某些函数接收裸指针作为参数，则它没有所有权（因此，不应尝试删除它）。同样，返回裸指针的函数不会传递/共享所有权（因此，调用者不应尝试删除它）。

因此，在您的情况下，您可以返回指针而不是智能指针。

指针还是引用？

这意味着指针和引用之间的选择仅取决于以下规则解决的一个因素：

  • 如果nullptr/NULL值有意义，则使用指针。
  • 如果nullptr/NULL值没有意义和/或不希望，则使用引用。

常量性和成员变量？

我看到了一些关于常量性的答案，所以我加上了我的两分钱：

将非const值返回给内部变量是一种设计选择。你必须在以下getter之间进行选择：

const Transform * getTransform() const ;
Transform * getTransform() ;

我（不当地）称上述访问器为“属性”，非const版本使用户可以随意修改内部Transform对象，而无需先询问您的类。请注意，如果GameObject是const，则无法修改其内部Transform对象（唯一可访问的getter是const版本）。此外，请注意，您不能更改GameObject内部Transform对象的地址，只能通过该地址更改数据指针（这与将成员变量公开不同）。
const Transform *& getTransform() const ;
Transform *& getTransform() ;

这就像上面的情况，但由于引用的存在，用户直接访问指针地址，这意味着非const访问器更或多或少地类似于将成员变量公开。

const Transform * getTransform() const ;
void setTransform(Transform * p_transform) ;

我将上面的访问器滥用地称为“getter/setter”：如果用户想修改变换值，则必须使用setTransform。这样你就可以更好地控制你正在做的事情（请注意，在我的代码中，你可以通过传递unique_ptr或auto_ptr来表达对p_transform对象的全部所有权的获取。你会注意到，如果GameObject是const，就没有办法修改其内部的Transform对象（setter是非const的）。

Transform * getTransform() const ;

我有时会滥用称呼上述访问器为“下标”，比如在指针数组中，该数组可以是const类型，所以内部地址是const的，但是由该地址指向的数据是non-const的，因此它可以被修改。这通常意味着Transform对象并不真正被你的GameObject对象“拥有”。实际上，很可能是GameObject仅引用某个外部对象，以方便使用。

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其他人已经回答了关于所有权的问题，但我还想补充一点。将非const指针或引用传递给私有成员通常是一个非常糟糕的主意：这基本上等同于将该私有成员公开。换句话说，如果您编写一个返回非const引用或指向非const成员的指针的getter，则您的代码基本上等同于以下内容：
class GameObject {
public:
  Transform _transform; // and you don't have to write a getter
};

但这是一个不好的想法。

如果你真的必须编写getter函数，那么按照Balog Pal的建议，给出私有成员的const引用。如果需要非const引用，那么你应该重新考虑你的设计。

听起来不错，但将其设为只读是否是一种有效的方法？ - cboe
@cboe 是的，绝对没问题。 - Ali
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