为什么没有 unique_ptr::operator*() 的安全替代方案？

Question

std::vector 具有成员函数 at() 作为 operator[] 的安全替代方法，因此应用绑定检查并且不会创建悬空引用：

void foo(std::vector<int> const&x)
{
  const auto&a=x[0];     // What if x.empty()? Undefined behavior!
  const auto&a=x.at(0);  // Throws exception if x.empty().
}

然而，std::unique_ptr缺少相应的功能：

void foo(std::unique_ptr<int> const&x)
{
  const auto&a=*x;       // What if bool(x)==false? Undefined behavior!
}

如果 std::unique_ptr 有这样一个安全的替代方案，那就太好了，比如成员 ref()（和 cref()）从来没有 returns 悬空引用，而是抛出异常。可能的实现：

template<typename T>
typename add_lvalue_reference<T>::type
unique_ptr<T>::ref() const noexcept(false)
{
  if(bool(*this)==false)
    throw run_time_error("trying to de-refrence null unique_ptr");
  return this->operator*();
}

标准不提供此类内容有什么充分的理由吗？

Answer 1

你有

operator bool()

示例来自： cplusplusreference

// example of unique_ptr::operator bool
#include <iostream>
#include <memory>


int main () {
  std::unique_ptr<int> foo;
  std::unique_ptr<int> bar (new int(12));

  if (foo) std::cout << "foo points to " << *foo << '\n';
  else std::cout << "foo is empty\n";

  if (bar) std::cout << "bar points to " << *bar << '\n';
  else std::cout << "bar is empty\n";

  return 0;
}

unique_ptr 是对原始指针的简单包装，当您可以轻松检查布尔条件时无需抛出异常。

编辑：显然 operator* 可以抛出。

Exceptions 1) may throw, e.g. if pointer defines a throwing operator*

也许有人可以阐明 hot 以定义投掷运算符*

Answer 2

unique_ptr 专门设计为具有空状态检测功能的轻量级指针 class（例如 optional in A proposal to add a utility class to represent optional objects (Revision 3) 中所述）

也就是说，您要求的功能已经到位，因为 operator* 文档指出：

// may throw, e.g. if pointer defines a throwing operator*
typename std::add_lvalue_reference<T>::type operator*() const;

pointer类型is defined as

std::remove_reference<Deleter>::type::pointer if that type exists, otherwise T*

因此，通过您的自定义删除器，您可以执行任何即时操作，包括空指针检查和异常抛出

#include <iostream>
#include <memory>

struct Foo { // object to manage
    Foo() { std::cout << "Foo ctor\n"; }
    Foo(const Foo&) { std::cout << "Foo copy ctor\n"; }
    Foo(Foo&&) { std::cout << "Foo move ctor\n"; }
    ~Foo() { std::cout << "~Foo dtor\n"; }
};

struct Exception {};

struct InternalPtr {
    Foo *ptr = nullptr;
    InternalPtr(Foo *p) : ptr(p) {}
    InternalPtr() = default;

    Foo& operator*() const {
        std::cout << "Checking for a null pointer.." << std::endl;
        if(ptr == nullptr)
            throw Exception();
        return *ptr;
    }

    bool operator != (Foo *p) {
        if(p != ptr)
            return false;
        else
            return true;
    }
    void cleanup() {
      if(ptr != nullptr)
        delete ptr;
    }
};

struct D { // deleter
    using pointer = InternalPtr;
    D() {};
    D(const D&) { std::cout << "D copy ctor\n"; }
    D(D&) { std::cout << "D non-const copy ctor\n";}
    D(D&&) { std::cout << "D move ctor \n"; }
    void operator()(InternalPtr& p) const {
        std::cout << "D is deleting a Foo\n";
        p.cleanup();
    };
};

int main()
{
    std::unique_ptr<Foo, D> up(nullptr, D()); // deleter is moved

    try {
      auto& e = *up;      
    } catch(Exception&) {
        std::cout << "null pointer exception detected" << std::endl;
    }

}

Live Example

为了完整起见，我将 post 另外两个 alternatives/workarounds:

通过 operator bool

检查 unique_ptr 的指针

#include <iostream>
#include <memory>

int main()
{
    std::unique_ptr<int> ptr(new int(42));

    if (ptr) std::cout << "before reset, ptr is: " << *ptr << '\n';
    ptr.reset();
    if (ptr) std::cout << "after reset, ptr is: " << *ptr << '\n';
}

（这可能是处理这个问题最巧妙的方法）

另一种解决方案，虽然比较混乱，is to use a wrapper type which takes care of the exception handling

Answer 3

智能指针 API 设计的主要目标之一是成为具有附加值的直接替代品，没有陷阱或副作用，并且开销接近于零。 if (ptr) ptr->... 是通常如何安全地访问裸指针，相同的语法与智能指针配合得很好，因此当一个被另一个替换时不需要更改代码。

在指针中进行额外的有效性检查（例如，抛出异常）会干扰分支预测器，因此可能会对性能产生连锁反应，这可能不被视为零成本下降-更换了。

Answer 4

我不能说，为什么委员会决定不添加安全的取消引用方法 - 答案可能是 "because it wasn't proposed" 或 "because a raw pointer hasn't one either"。但是自己编写一个自由函数模板是微不足道的，它将任何指针作为参数，将其与 nullptr 进行比较，然后抛出异常或 returns 指向对象的引用。

如果您不通过指向基 class 的指针删除它，甚至可以从 unique_ptr 公开派生并添加这样一个成员函数。

但是请记住，在任何地方使用这种经过检查的方法都可能会导致严重的性能损失（与 at 相同）。通常您希望最多验证一次参数，因此在开头使用单个 if 语句更适合。

也有学校说你不应该抛出异常来响应编程错误。也许负责设计的人 unique_ptr 属于这个学校，而设计 vector 的人（更老）不属于这个学校。

Answer 5

我怀疑真正的答案很简单，而且很多 "Why isn't C++ like this?" 问题的答案都是一样的：

没有人提出。

std::vector和std::unique_ptr不是同一个人在同一时间设计的，使用方式也不同，所以不一定遵循相同的设计原则。

Answer 6

根据 MikeMB 的建议，这里有一个可能的自由函数实现，用于取消引用指针和 unique_ptrs 类似的东西。

template<typename T>
inline T& dereference(T* ptr) noexcept(false)
{
  if(!ptr) throw std::runtime_error("attempt to dereference a nullptr");
  return *ptr;
}

template<typename T>
inline T& dereference(std::unique_ptr<T> const& ptr) noexcept(false)
{
  if(!ptr) throw std::runtime_error("attempt to dereference an empty unique_ptr)");
  return *ptr;
}

为什么没有 unique_ptr::operator*() 的安全替代方案？

Why is there no safe alternative to unique_ptr::operator*()?

c++

c++11

unique-ptr

dereference

dangling-pointer