1.引用計數

VTK經過多年的開發與維護，已經形成了一套穩定的框架和開發規則。因此，了解這些規則和框架是定制VTK類的基礎，這其中用到了大量面向對象的設計模式，例如對象工程模式、觀察者/命令模式；還有就是當下非常流行的引用計數與智能指針等高級內存管理等。
內存管理在大型的工程中是非常重要的內容，如果不能有效地管理內存，將嚴重影響到應用程序的執行效率，甚至可能造成程序崩潰。之前學習C++基礎時，教材中都會反復的強調，使用new操作符申請的空間，一定要使用delete來釋放。C++中并沒有提供高級的內存管理與垃圾回收機制，通常進行手動管理。這對于簡單的程序而言可以輕松完成，但是對于大型程序就會疲于應付。最有代表性例子就是，當一個內存塊(可以看做一個指針)被多個對象引用時，刪除任意一個對象，都可能影響其他對象，引用計數和智能指針剛好用來解決這個問題。

1.1 引用計數

簡單來說，引用計數就是每個對象中維護一個引用計數的變量，表示當前對象被多少對象引用。

當一個對象被另一個對象引用時，該對象的引用計數就會加1；當一個對象取消對該對象的引用時，該對象的引用計數減1.當引用計數為0時，程序就會撤銷該對象。

VTK中實現引用計數的類為vtkObjectBase。VTK是一個C++類庫，在VTK中，C++的繼承與多態得到了完美的體現。經過十幾年的發展，所有的VTK類集合可以看做一個樹狀結構，vtkObjectBase則是他們共同的祖先。

這也說明了絕大部分VTK類都支持引用計數。vtkObjectBase中定義了一個ReferenceCount變量，改變量記錄了引用計數。當一個vtkObjectBase及其子類對象創建時，ReferenceCount就會被初始化為1。

vtkObjectBase::vtkObjectBase {this->ReferenceCount = 1; }在該類中，vtkObjectBase的構造函數、析構函數、拷貝構造函數以及“=”操作符都被聲明為“protected”類型，因此不能顯示地構造和銷毀vtkObjectBase及其子類對象。vtkObjectBase定義了一個靜態函數New()，用于生成vtkObjectBase對象。New()函數中調用了構造函數來生成一個對象，并在構造函數中初始化引用計數為1.

1.2?Register()函數以及Unregister()函數實現計數

生成一個vtkObjectBase及其子類對象后，該對象并不會孤立地存在，多數情況下又可能被其他對象引用。這是需要調用Regester()函數實現引用計數加1；Register()函數中有一個vtkObjectBase*類型的形參，代表引用當前對象的其他對象的類型（可以設置為NULL）。因此，引用計數關心的是被引用的數量，而不關心引用者是誰。而Unregister()函數實現引用計數減1，并檢查引用計數的數量。當引用計數為零時，自動銷毀該對象。

1.3?Delete()函數刪除對象釋放內存

對于New()的對象，一定要通過Delete()對象來刪除。Delete()函數并非直接刪除對象，而式調用Unregister()對象將引用計數減1，如果引用計數為0，則調用析構函數來刪除對象。

一個簡單的實例如下：

vtkCamera* camera = vtkCamera::New(); //引用計數為1 renderer->SetActiveCamera(camera); //引用計數為2 renderer->Delete(); //引用計數是1 camera->Delete(); //camera被刪除首先調用vtkCamera::New()函數實例化一個vtkCamera對象camera，此時camera的引用計數初始化為1.然后將camera通過SetActiveCamera()函數傳遞至一個vtkRenderer對象renderer中。
vtkRenderer::SetActiveCamera()函數的代碼如下:
void vtkRenderer::SetActiveCamera(vtkCamera* cam) {if(this->ActiveCamera == cam){return;}if(this->ActiveCamera){this->ActiveCamera->UnRegister(this);this->ActiveCamera = NULL;}if( cam ){cam->Register( this );}this-<ActiveCamera == cam;this->Modified();this->InvokeEvent(vtkCommand::ActiveCameraEvent, cam); }解釋：
vtkRenderer中定義了一個vtkCamera對象ActiveCamera。SetActiveCamera()函數用于設置該對象的值。在調用SetActiveCamera()函數時，如果當前已經設置了ActiveCamera，則先UnRegister()該對象，并將其指向NULL。然后，調用Register()函數增加一個引用，說明camera在renderer中被應用，并將ActiveCamera指向camera。此時，camera的引用計數數目為2（如果這里又有一個新的vtkCamera對象通過SetActiveCamera設置，同樣先將此前設置的camera對象引用計數減1，再賦值）。而當執行renderer->Delete()函數時，由于renderer的引用計數為1，所以renderer會被銷毀，而此時camera又變為了1.當執行camera->Delete()后，其引用計數減一，此時camera計數為零，刪除camera對象。

1.4 引用計數的先天缺陷

其實，引用計數并不是十分的完美。本身就有先天的缺陷——對循環引用無能為力。即無法處理對象之間相互引用形成一個環路的情況，例如，VTK中vtkAlgrthm和vtkExecute對象之間。

2.智能指針

智能指針可以完全避免內存泄漏問題。

2.1 智能指針

VTK中智能指針類為vtkSmartPointer。VTKSmartPointer是一個模板類，繼承自VTKSmartPointerBase類。VTKSmartPointerBase中定義了一個vtkObjectBase類型的指針對象Object，用于存儲智能指針中實際生成的對象。智能指針定義為：

vtkSmartPoint<vtkCamera> camera = vtkSmartPointer<vtkCamera>::New(); //引用計數為1VTKSmartPointer中定義了靜態函數New()來生成一個智能指針對象。
該函數的核心在于：會根據模板參數類型來生成一個對象，并將其保存在基類VTKSmartPointerBase的成員變量Object中。

• VTKSmartPointer中重載了“->”操作符

返回實際模板參數類型的對象，因此可以方便地訪問對象的成員函數，如camera->setFocusPosition(0,0,0)。

• VTKSmartPointer重載了“=”操作符

可以在VTKSmartPointer對象之間進行賦值。在賦值過程中，VTKSmartPointer會自動控制其內部對象指針Object的引用計數加1.

例如：

vktSmartPointer<vtkCamera> camera1 =vtkSmartPointer<vtkCamera>::New(); vtkSmartPointer<vtkCamera> camera2 = camera1;需要注意的是，此時camera1和camera2的引用計數都等于2。
過程為：首先camera1的vtkCamera對象Object調用Register()函數，自動將引用計數加1，談后將camera2的Object指向camera1的Object對象。

2.2 智能指針釋放內存

當一個智能指針對象的生命周期結束時，會自動調用其析構函數釋放內存。在析構函數中會調用其內部對象Object的UnRegister()函數修改引用計數。如果此時的引用計數為0，Object對象會自動釋放內存。

3. vtkObjectBase中的幾個重要函數

3.1 GetClassName()

該函數用于返回當前類的名字。其通過調用類內保護類型的虛函數GetClassNameInternal()來實現。vtkObjectBase時VTK中絕大對數類的基類，因此這些類都可以訪問GetClassName()函數來獲取類名。我們必須在這子類中覆蓋GetClassNameInternal()函數，這樣才會有“多態性”效應。

3.2 IsTypeOf/IsA()

IsTypeOf()是一個靜態函數，其參數為一個char類型字符串，通常為一個類的名字，用于判斷一個類名是否為vtkObjectBase。

虛函數IsA()則調用IsTypeOf()來判斷一個對象的類型。vtkObjectBase的類中都覆蓋了IsA()，以便判斷實際的類型。

3.3 Print()/PrintSelf()/PrintHeader()/PrintTrailer()

Print()用于輸出類的成員變量和狀態，其內部調用PrintSelf()/PrintHeader()/PrintTrailer()三個虛函數。

4. 常用vtkObjectBase子類及其繼承關系

• vtkCommand主要涉及觀察者/命令模式的實現。
• vtkInformationKey與vtkInformation搭配使用，用于實現VTK的執行管線。
• vtkObject是一個非常非常重要的基類！！其子類包括vtkAlgrithm和vtkExecutive兩個實現Filter類最重要的類；而vtkDataObject是VTK中所有數據結構類如：vtkPolyData、vtkImageData等的基類。

5.參看資料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3. ?張曉東, 羅火靈. VTK圖形圖像開發進階[M]. 機械工業出版社, 2015.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的VTK修炼之道80：VTK开发基础_智能指针与引用计数的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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