Day 07｜别名构造 + pointer_cast + 比较运算符：把 shared_ptr 接口补齐

肆忆_
7 阅读9分钟

目标：用 7 天时间，从“最简引用计数”迭代到接近 Boost shared_ptr 的控制块架构：默认删除器、自定义删除器、线程安全、weak_ptr、make_shared、最终工程化。

Day07 我主要干一件事：把 shared_ptr/weak_ptr 的“对外接口”补齐到能像 Boost/标准库一样顺滑使用。今天我重点对齐了 Boost 的几个关键设计：别名构造（Aliasing Constructor） 、三种 *_pointer_cast、nullptr 支持、比较运算符与 swap/reset，再做一轮工程化收尾（命名一致、坏味道处理）。核心理解也很统一：共享同一个控制块，不创建新对象。

1. 今日目标

在 Day06 已经跑通 make_shared（inplace 控制块 + placement new）之后，Day07 我把精力放在“接口闭环”上：

  1. 补齐 shared_ptr/weak_ptr 的收尾接口：Reset/Swap、判空（operator bool / == nullptr / != nullptr）、跨类型相等比较等。
  2. 实现类型转换工具：static_pointer_cast / dynamic_pointer_cast / const_pointer_cast，并保证转换后共享控制块。
  3. 工程化收尾：整理头文件依赖、把命名统一（避免 shared_ptr/SharedPtr 混用）、把一些容易误写的点（比如 nullptr_t、operator!= 真值表）彻底对齐。

核心收获：我现在能清楚地解释——

pointer_cast 并不是“创建新对象”，而是“创建一个转换后的 shared_ptr 句柄”，并且它和原 shared_ptr 共享同一个控制块。

2. 今日设计：别名构造与 pointer_cast 的统一模型

2.1 别名构造（Aliasing Constructor）到底解决什么？

我今天最关键的认知是：shared_ptr 里保存的指针（ptr）和“拥有者”（控制块）可以不是同一个东西。

别名构造的语义我用一句话记住：

我让 shared_ptr 的 get() 指向一个“子对象/成员指针 p”，但它的生命周期跟随另一个 owner shared_ptr 的控制块。

举个我自己最常用的场景：
我想拿 Person 的 name 成员指针，但我必须保证 Person 没死：

SharedPtr<Person> person = make_shared<Person>("Alice", 30);
SharedPtr<std::string> name_ptr(person, &person->name);  // 别名构造
  • name_ptr.get() 是 &person->name
  • 但 name_ptr 析构时不会 delete 这个成员指针
  • 它只是在释放控制块引用，最终由控制块决定何时销毁整个 Person

2.2 三种 pointer_cast 的本质：cast 指针 + 别名构造

我把它们统一成一个模式来理解：

  1. 从 r.get() 拿到裸指针
  2. 做一次 cast 得到 p
  3. 用 别名构造 SharedPtr<T>(r, p) 返回

所以无论 static/dynamic/const，区别只在“第 2 步怎么 cast”，第 3 步完全一致。

3. 关键实现

我今天的实现重点就是：别名构造 + pointer_cast + nullptr/比较/swap 的接口补齐。下面只贴最关键的“形态”，帮助我以后复习。

3.1 别名构造（Aliasing Constructor）

template <typename Y>
SharedPtr(const SharedPtr<Y>& owner, element_type* p) noexcept
    : ptr_(p), count_(owner.count_) {}

我记住它的要点：

  • ptr_ 存的是 p（子对象/转换后的指针）
  • count_ 拿的是 owner 的控制块（引用计数共享）

3.2 static / dynamic / const pointer_cast

static_pointer_cast（编译期转换，不检查）：

template <typename T, typename U>
SharedPtr<T> static_pointer_cast(const SharedPtr<U>& r) noexcept {
  T* p = static_cast<T*>(r.get());
  return SharedPtr<T>(r, p);  // 别名构造，共享控制块
}

dynamic_pointer_cast（运行期检查，可能失败）：

template <typename T, typename U>
SharedPtr<T> dynamic_pointer_cast(const SharedPtr<U>& r) noexcept {
  T* p = dynamic_cast<T*>(r.get());
  if (p) return SharedPtr<T>(r, p);
  return SharedPtr<T>();  // 失败：返回空
}

const_pointer_cast（移除 const，只改变视角）：

template <typename T, typename U>
SharedPtr<T> const_pointer_cast(const SharedPtr<U>& r) noexcept {
  T* p = const_cast<T*>(r.get());
  return SharedPtr<T>(r, p);
}

我对它们的总结是：

这三个都会“多创建一个 SharedPtr 句柄”（引用计数 +1），但不会创建新对象，也不会创建新控制块。

4. 单元测试：功能闭环（别名构造 / cast / nullptr / 容器 / swap）

我今天跑的 test_complete 覆盖了这些核心点：

  • 别名构造：name_ptr/age_ptr 共享 person 控制块，use_count 预期一致；person.reset() 后成员指针仍可用（生命周期正确）。
  • static_pointer_cast：向上/向下转换都共享控制块；通过基类指针调用虚函数，实际调用派生类实现。
  • dynamic_pointer_cast：成功时共享控制块；失败时返回空指针，同时原 base 不受影响。
  • nullptr 支持：SharedPtr<T> p = nullptr;、比较 p == nullptr / nullptr != p 等都能用。
  • 比较运算符 + 关联容器：std::set/std::map 能用 SharedPtr 当 key，排序/去重行为符合“按地址身份”的语义。
  • swap：成员 swap + std::swap 都能正常交换指针与控制块。

5. 开发过程中遇到的关键问题

我按：定位原因 → 最小修改点 → 补必要测试/断言 → 提醒坑 来记录

问题 1：std::nullptr_t 写错（写成 std::nullptr t）导致 IDE 标红/编译错误

定位原因：
nullptr 是关键字（值），它的类型是 std::nullptr_t。我如果少写了 _t，就等于写了一个不存在的类型 std::nullptr，自然报错。另外如果忘了 #include <cstddef>，也可能找不到 std::nullptr_t。

最小修改点：

  • 统一改成 std::nullptr_t
  • 头文件补 #include <cstddef>

补必要测试/断言：
我必须覆盖“拷贝初始化”的那条路，因为这最容易踩坑：

SharedPtr<int> p = nullptr;  
EXPECT_TRUE(p == nullptr);
EXPECT_TRUE(nullptr == p);
EXPECT_FALSE(p != nullptr);
EXPECT_FALSE(nullptr != p);

提醒坑：
SharedPtr<int> p(nullptr);（直接初始化）和 SharedPtr<int> p = nullptr;（拷贝初始化）走的规则不一样。为了对齐标准库体验，我需要专门支持 nullptr_t 构造。

问题 2：operator!= (nullptr, p) 真值表写反（复制粘贴坑）

定位原因：
我一开始写 p == nullptr 用 return !p;，然后写 != 时复制粘贴也写成 return !p;，结果 != 的语义就反了。

正确真值表我强制记住：

  • p == nullptr ⇔ !p
  • p != nullptr ⇔ bool(p)

最小修改点：
!= 必须返回 static_cast<bool>(p)（或 p.get() != nullptr）。

补必要测试/断言：

SharedPtr<int> e;
EXPECT_FALSE(nullptr != e);

auto p = make_shared<int>(1);
EXPECT_TRUE(nullptr != p);

提醒坑：
这类 bug 不会“看起来崩掉”，但会让很多 if 判断逻辑悄悄错掉，所以必须用断言把它钉死。

问题 3：operator< 用 std::common_type<T*, U*> 可能导致模板实例化失败

定位原因：
当 T* 和 U* 没有公共类型（不相关指针类型）时，std::common_type 可能没有 type，模板会直接炸，报错还很“模板风暴”。

最小修改点：
为了让 SharedPtr<T>/SharedPtr<U> 的 < 更稳（尤其用于 set/map），我更倾向于用：

std::less<const void*>()(a.get(), b.get());

这个写法跨类型更稳，也更贴近“按地址身份排序”的语义。

补必要测试/断言：
我用 set/map 的测试验证：

  • set.insert 去重是否合理（同地址不会重复）
  • map.size() 是否符合预期

提醒坑：
这里的排序比较的是“指针身份”，不是对象值；如果以后我想按对象内容排序，那就必须自定义 comparator（解引用比较），不能改动 operator< 的语义。

问题 4：const_pointer_cast 之后修改对象到底是否合法的吗？

定位原因：
const_pointer_cast 只是“把指针视角从 const 改成非 const”，它不改变对象本体是否 const。
如果对象本体是 const T（例如 make_shared<const T> 创建的），我 cast 后再写它，严格来说是 UB。

最小修改点（推荐测试写法）：
我更推荐用“对象本体非 const + 只读视图”的方式测试：

  • 先 make_shared<T> 创建非 const 对象
  • 再构造 SharedPtr<const T> 只读视图
  • 再 const_pointer_cast<T> 写入，验证变化

补必要测试/断言：

  • get() 地址必须相同（同一对象）
  • 修改后从只读视图读出来的值也变化（证明共享对象）

提醒坑：
“能跑”不代表“标准意义正确”，我后续如果要把这套库当作品展示，最好不要在示例里示范 UB。

6. Day 07 学习检查清单（今日 5 问｜我自己的回答）

Q1：我理解别名构造的用途了吗？

答：
我现在能明确说：别名构造是用来创建“视图型 shared_ptr”的。它能让我让 SharedPtr<T> 指向成员/子对象/转换后的指针 p，但生命周期仍然绑定在 owner 的控制块上。
它解决了“成员指针悬垂”和“成员指针被错误 delete”的问题，也让 pointer_cast 变得非常自然。

Q2：我能解释类型转换如何共享控制块吗？

答：
我把它记成固定模板：

  • 先 p = cast(r.get())
  • 再 return SharedPtr<T>(r, p)（别名构造）

因此转换会：

  • 新建一个转换后的 SharedPtr 句柄（引用计数 +1）
  • 共享同一个控制块（不创建新控制块）
  • 不创建新对象（对象仍然是同一个）

Q3：我知道 dynamic_cast 失败时返回什么吗？

答：
指针版 dynamic_cast<T*>(...) 失败返回 nullptr。所以 dynamic_pointer_cast 失败时返回空 SharedPtr<T>()，而原来的 SharedPtr<U> 不受影响（引用计数不变，对象依然被原指针管理）。

Q4：我理解为什么比较用 std::less 吗？

答：
因为我想让 SharedPtr 能作为 std::set/std::map 的 key，就必须提供稳定的严格弱序。
operator< 的语义在这里就是“按指针身份排序”，而 std::less 是标准库提供的稳定比较器工具，用它比较地址更稳、更适配泛型/关联容器的场景（尤其跨类型时避免 common_type 的边界问题）。

Q5：我知道如何在 std::map 中使用 shared_ptr 吗？

答：
我知道：map 的 key 比较的是 指针身份（地址） ，不是对象值。
所以：

  • 两个 make_shared<int>(42) 就算值相同，也是两个不同 key（不同地址）
  • 如果两个 SharedPtr 共享同一对象（同地址），那就是同一个 key
    如果以后我想按对象内容排序，那就要写自定义 comparator（解引用比较），而不是动默认 <。

7. 今日迭代进度

✅ Day07 已完成：接口收尾 + pointer_cast + 比较/nullptr/swap 闭环（test_complete 跑通）

  • 别名构造（Aliasing Constructor）落地：成员指针/子对象视图安全可用
  • static/dynamic/const_pointer_cast 完整实现：全部共享控制块，不创建新对象
  • nullptr 支持与比较运算符补齐：并修正 operator!= 真值表坑
  • operator< 支持关联容器：按地址身份排序（std::less 思路）
  • Swap/Reset 可用，工程化层面命名与接口对齐更顺滑

如果你接下来还希望我把这篇再“更贴你的仓库真实命名/文件结构”（比如你到底叫 SharedPtr 还是 shared_ptr、控制块叫 SharedCount 还是 shared_count），你把 Day07 最终版的几个头文件片段贴出来（尤其是 my_shared_ptr.h / my_pointer_cast.h 的关键接口），我可以把第 3 节“关键实现”里的代码块完全替换成你仓库的真实版本（其余文字保持你这个口吻不变）。

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