1 問題的起因

1.1 T** 或 T&*

? C++ 的智能指針可以通過 get() 和 * 的重載得到原始指針 T*，遇到這樣的 C 風格的函數的時候：

void Process(Foo *ptr);std::unique_ptr<Foo> sp = ...;Process(sp.get()); //調用 Process 函數

Process() 函數以非搶奪的方式使用 Foo *，大家都相安無事。但是，C++ 的智能指針都是非侵入式的智能指針，如果要修改指針自身，則只能通過顯式的手段，比如 reset() 成員函數。所以 C++ 的智能指針遇到這樣的 C 風格的函數時，就很棘手：

bool MakeObject(Foo **pptr);
bool RefreshObject(Foo& *pptr);

沒有 const 約束，大家都明白這樣的接口是返回一個指針或重置一個指針。遇到這種情況，C++ 只能分步做這個事情：

std::unique_ptr<Foo> sp;
Foo *ptr = nullptr;
if(MakeObject(&ptr)) {sp.reset(ptr);
}

但是這么做就有個問題，在 MakeObject() 函數完成一個 Foo * 的初始化，到外部 sp 托管這個指針之間就有一段間隙，在這期間發生任何異常，Foo 對象和 Foo 對象分配的存儲空間就隨風而去，自由地飛翔。

1.2 傳統解決方案

? Raymond Chen 在資料 [2] 中給出了一種代理類的解決方法，通過代理類在智能指針和對象指針之間建立一個橋梁。就上一節的 MakeObject() 函數的使用，借助于 Raymond Chen 的思路，我們可以這樣設計一個代理類：

template<typename T>
struct UniquePtrProxy {UniquePtrProxy(std::unique_ptr<T>& output): m_output(output) { }~UniquePtrProxy() { m_output.reset(m_rawPtr); }operator T** () { return &m_rawPtr; }UniquePtrProxy(const UniquePtrProxy&) = delete;UniquePtrProxy& operator=(const UniquePtrProxy&) = delete;std::unique_ptr<T>& m_output;T *m_rawPtr = nullptr;
};

UniquePtrProxy 類通過構造函數關聯一個 T 類型的智能指針，通過對 T** 的重載，使得這個類可以適配需要 T** 參數的場合，給出的 T** 可被修改，并且在代理銷毀的時候 reset 關聯的智能指針。

std::unique_ptr<Foo> spFoo;
if (MakeObject(UniquePtrProxy<Foo>(spFoo))) {std::cout << "value = " << spFoo->GetValue() << std::endl;
}

? 貌似天衣無縫，即使 MakeObject 內部出現了異常，只要 Foo * 的指針是有效的，利用 RAII，UniquePtrProxy 都可以正確設置智能指針，從而避免資源泄露。不過，正如 Raymond Chen 在資料 [2] 中給出的例子那樣，用戶如果這樣寫代碼就很郁悶了：

if (MakeObject(UniquePtrProxy<Foo>(spFoo)) && spFoo) {std::cout << "value = " << spFoo->GetValue() << std::endl;
}

這其實是一種很合理的做法，在使用智能指針之前先檢查一下指針的有效性。但是 if 表達式中的整個求值完成之前，UniquePtrProxy 創建的臨時對象在 MakeObject() 函數調用完成后，會像鬼魂一樣繼續飄蕩一段時間，當檢測 spFoo 的時候，它還沒有析構，spFoo 還沒有被 reset，結果就是 if 代碼塊永遠也走不到。

? 資料 [4] 提出一種侵入式智能指針，允許直接修改內部指針，比如資料 [1] 的 retain_ptr 的實現。但是更多的庫采用的是智能指針適配器的方式，通過適配器完成智能指針的侵入式操作。典型的就是 WRL 庫的 ComPtrRef ，它其實是對 ComPtr 的適配器。C++ 的標準庫采用的就是適配器方案。

2 C++ 23 的智能指針適配器

2.1 out_ptr_t 和 inout_ptr_t

? C++ 23 引入了兩個智能指針適配器，即 out_ptr_t 和 inout_ptr_t，分別用于應對上一節的 MakeObject() 類型 C 函數和 RefreshObject() 類型 C 函數（有時候 RefreshObject() 類型的 C 函數也是用 T** 類型參數）。對于 MakeObject() 類型 C 函數，我們可以這樣使用 std::out_ptr_t 適配器：

int main() {std::unique_ptr<FooTest> spFoo;if (MakeObject(std::out_ptr_t<std::unique_ptr<FooTest>, FooTest*>(spFoo))) {std::cout << "value = " << spFoo->GetValue() << std::endl;}
}

2.2 out_ptr 和 inout_ptr

? 正如上一節的例子，直接使用適配器需要顯式指定模板參數，非常麻煩，所以 標準庫還提供了兩個全局函數，std::out_ptr() 和 std::inout_ptr()，這兩個函數的作用就是根據函數參數推導參數類型，然后返回一個相應的適配器對象，可以簡化這兩個適配器的使用，比如上一節的例子，可以改成這樣：

int main() {std::unique_ptr<FooTest> spFoo;if (MakeObject(std::out_ptr(spFoo))) {std::cout << "value = " << spFoo->GetValue() << std::endl;}
}

2.3 注意事項

? C++ 標準并不建議直接使用 std::out_ptr_t 或 std::inout_ptr_t 構建一個有聲明周期的臨時對象，因為這樣很容易導致問題，比如 2.1 節的例子，如果代碼寫成這樣：

int main() {std::unique_ptr<FooTest> spFoo;auto&& rrr = std::out_ptr_t<std::unique_ptr<FooTest>, FooTest *>(spFoo);if (MakeObject(rrr)) {std::cout << "value = " << spFoo->GetValue() << std::endl;}
}

編譯器不抱怨，但是運行異常，因為 rrr 延長了 std::out_ptr_t 臨時對象的生命周期，使得它的析構在使用 spFoo 指針之后，導致 spFoo 在它消失之前一直是無效的狀態。

? 另外需要注意的是 std::inout_ptr_t 做的事情是釋放智能指針原來的所有權，然后重新初始化這個智能指針。這樣的操作需要獨占所有權的智能指針，所以它不能用于 std::shared_ptr。還有就是 1.2 節所提到的代理或適配器的生命周期問題，std::out_ptr_t 或 std::inout_ptr_t 也存在，所以這樣的代碼依然是有問題的：

int main() {std::unique_ptr<FooTest> spFoo;if (MakeObject(std::out_ptr(spFoo)) && spFoo) {std::cout << "value = " << spFoo->GetValue() << std::endl;}
}

這也是使用智能指針適配器需要注意的地方。實際上，資料 [2] 中作者提出了幾種解決方案，但是都不是很優雅的方案，大家感興趣的話可以看一下這篇文章。

3 總結

? 智能指針適配器的引入，起到了三個作用：

• 安全封裝原生指針的傳遞

  為許多 C 函數提供安全適配器，避免手動管理指針和資源的所有權

• 與智能指針無縫協作

  允許 C++ 的智能指針直接用于需要 T** 和 T&* 參數的函數交互，解決智能指針需要手動釋放和重置的問題，解決了此類 C 風格的 API 安全返回資源的問題

• 統一資源管理接口

  將現有的 C 風格的資源獲取和釋放行為整合到 C++ 的 RAII 模型中，逐步替換為 RAII 風格，減少資源泄露的風險

總之，這些適配器工具是 C++ 進一步強化與 C 互操作性和資源管理的重要改進，通過對智能指針的自動適配，降低此類開發場景的資源泄漏風險，通過對智能指針的隱式管理，也使得代碼更簡潔。

參考資料

[1] retain_ptr: https://github.com/slurps-mad-rips/retain-ptr

[2] Raymond Chen: Spotting problems with destructors for C++ temporaries

[3] ComPtrRef Class: From Microsoft Windows Runtime Library

[4] P0468: A Proposal to Add an Intrusive Smart Pointer to the C++ Standard Library, 2018

[5] P1132: out_ptr - a scalable output pointer abstraction

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