C++23 std::out_ptr 和 std::inout_ptr：提升 C 互操作性

在 C++23 标准中，std::out_ptr 和 std::inout_ptr 的引入为 C++ 与 C 语言的互操作性带来了显著的改进。这两个工具旨在简化智能指针与 C 风格 API 的交互，让开发者能够更安全、更高效地管理内存。

背景：C++ 与 C 的互操作性挑战

在 C++ 与 C 语言混合编程中，C++ 的智能指针（如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）与 C 风格的指针操作（如通过指针的指针 T** 或引用 T*& 来分配或重置资源）之间存在显著的不兼容性。以往，开发者需要手动管理指针的释放和重新分配，这不仅繁琐，还容易出错。

std::out_ptr：用于输出参数的智能指针适配器

std::out_ptr 是一个模板函数，用于创建 std::out_ptr_t 类型的对象。这种适配器主要用于处理 C API 中的输出参数，即那些需要将新分配的对象指针写入到传入的指针参数中的场景。

特点

• std::out_ptr 会自动将智能指针的控制权交给 C API，并在适配器析构时根据 C API 的结果更新智能指针。
• 它可以与 std::unique_ptr 等智能指针配合使用，但不支持 std::shared_ptr，因为 std::shared_ptr 的共享所有权语义与 std::out_ptr 的操作模式不兼容。

示例代码

#include <memory>
extern "C" void c_api_function(int** ptr) {
    *ptr = new int(42);
}

int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr;
    c_api_function(std::out_ptr(ptr));
    std::cout << "Value: " << *ptr << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，std::out_ptr 将 ptr 的控制权交给 c_api_function，并在函数返回后根据 C API 的结果更新 ptr。

std::inout_ptr：用于输入/输出参数的智能指针适配器

std::inout_ptr 用于处理那些既需要读取初始值，又可能需要重置资源的 C API 参数。

特点

• 在调用 C API 之前，std::inout_ptr 会通过 release() 方法将智能指针的控制权交给一个临时裸指针。
• 在适配器析构时，它会根据 C API 的结果重新初始化智能指针。
• 与 std::out_ptr 一样，std::inout_ptr 也不支持 std::shared_ptr。

示例代码

#include <memory>
extern "C" void c_api_update_function(int** ptr) {
    **ptr += 10;
}

int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(32);
    c_api_update_function(std::inout_ptr(ptr));
    std::cout << "Updated Value: " << *ptr << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，std::inout_ptr 先将 ptr 的所有权释放，然后将裸指针传递给 c_api_update_function，最后在适配器析构时根据 C API 的结果更新 ptr。

使用注意事项

1. 生命周期管理：std::out_ptr 和 std::inout_ptr 返回的对象通常是临时对象，它们的生命周期应该限制在完整的表达式内，以避免悬挂引用。
2. C API 的语义：在使用这些适配器之前，必须明确 C API 对传入指针的操作方式，例如是否会释放原有资源。
3. 不支持 std::shared_ptr：由于 std::shared_ptr 的共享所有权语义与这些适配器的操作模式不兼容，因此不能使用 std::inout_ptr 或 std::out_ptr 来管理 std::shared_ptr。

总结

C++23 中引入的 std::out_ptr 和 std::inout_ptr 为 C++ 与 C 的互操作性提供了强大的支持。它们不仅简化了智能指针与 C 风格 API 的交互，还减少了手动管理指针的风险，提升了代码的安全性和可维护性。通过这些工具，开发者可以更轻松地在现代 C++ 代码中集成 C 语言的库和功能，进一步推动 C++ 在跨语言编程中的应用。