shared_ptr原理分析及实现

程序员文章站 2024-02-29 09:54:34

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原理分析

内存管理历来是C++编程的一项需要小心费力气的活，因为C++本身不带GC机制，所有的内存管理都需要我们手动实现，从malloc / free 到new / delete，再到allocator的出现，无非都是为了更合理简单的避免内存泄露。

指针本身是一个用法十分灵活并且功能强大的工具，然而它对内存的直接掌控也使得它不得不常常背起内存泄露的黑锅，因为忘记删除指针或者将一个指针删除两次的错误往往十分隐蔽，难以侦查。为了解决这个问题，boost中的智能指针终于还是在C++11中被纳入了标准库。

来看个例子：

std::string* stringPtr1 = new std::string;
std::string* stringPtr2 = new std::string[100];
… // do something
delete stringptr1; // 删除一个对象
delete[] stringPtr2; // 删除一个由对象组成的数组

看上去一切都很好：new出来的两个对象在完成任务后都被delete掉了。然而考虑在do something的时候发生点什么，比如抛出异常，程序跳转，或者函数返回了，那么会发生什么呢？显然，这两个delete并不会得到执行，也就是说，内存泄露了。假如把上面的指针定义成智能指针，那么一切问题都将烟消云散，如下。

shared_ptr stringPtr1(new std::string);
shared_ptr stringPtr2 = new std::string[100];
… // do something

那么智能指针是如何帮助我们管理内存的呢？事实上，智能指针就是一个作用是资源管理的类，它是你在堆栈上声明的类模板，并可通过使用指向某个堆分配的对象的原始指针进行初始化（RAII）。

在初始化智能指针后，它将拥有原始指针，这意味着智能指针负责删除原始指针指定的内存，智能指针析构函数包括要删除的调用，当智能指针超出范围时将调用其析构函数，析构函数会自动释放资源。

现代C++中的三种智能指针简单介绍如下（引自MSDN智能指针（现代 C++））：

unique_ptr
只允许基础指针的一个所有者。除非你确信需要 shared_ptr，否则请将该指针用作 POCO 的默认选项。可以移到新所有者，但不会复制或共享。替换已弃用的 auto_ptr。与 boost::scoped_ptr 比较。 unique_ptr 小巧高效，大小等同于一个指针且支持 rvalue 引用，从而可实现快速插入和对 STL 集合的检索。

shared_ptr
采用引用计数的智能指针。如果你想要将一个原始指针分配给多个所有者（例如，从容器返回了指针副本又想保留原始指针时），请使用该指针。直至所有 shared_ptr 所有者超出了范围或放弃所有权，才会删除原始指针。大小为两个指针：一个用于对象，另一个用于包含引用计数的共享控制块。

weak_ptr
结合 shared_ptr 使用的特例智能指针。 weak_ptr 提供对一个或多个 shared_ptr 实例拥有的对象的访问，但不参与引用计数。如果你想要观察某个对象但不需要其保持活动状态，请使用该实例。在某些情况下，用于断开 shared_ptr 实例间的循环引用。

shared_ptr 解析

shared_ptr的原理是引用计数法reference counting，每多一个智能指针指向同一个对象时，引用+1，而析构则相反，如果计数为零，则保存的指针被删除。

正常的指针的功能智能指针都有，如（以下用mySmartPtr代替shared_ptr，这是自己实现的智能指针名字）

int *pi = new int(42);     
mySmartPtr<int> *hpa(new mySmartPtr<int>(pi));    // 构造函数  
mySmartPtr<int> *hpb = new mySmartPtr<int>(*hpa); // 拷贝构造函数  
mySmartPtr<int>  hpd = *hpa;                      // 拷贝构造函数

同时，无论复制shared_ptr多少次，只要不出现循环引用，总是可以析构掉的，如

vector<mySmartPtr<Base> > obj;        
vector<mySmartPtr<Base> > obj2;  
obj2.push_back(obj[0]);

除了析构对象的工作，shared_ptr同时也需要帮助我们解决类型转换的问题。一个是多态性的体现，即以基类指针指向派生类对象：

vector<mySmartPtr<Base> > obj;        // 父类指针vector
obj.push_back(new Derived1);          // 指向子类1
obj.push_back(new Derived2);          // 指向子类2

另一个是dynamic_cast转型，如下，使用dynamic_cast<Derived2*>(static_cast<Base*>(new Derived1))会得到空指针：

mySmartPtr<Derived1> d1 = new Derived1;
mySmartPtr<Base> b = d1;              // b指向的是Derived1
mySmartPtr<Derived2> d2 = b.Cast<Derived2>();  // 转型失败返回空指针

具体来说，一个智能指针的实现要完成以下功能：

没有参数构造的时候，初始化为空，即对象和引用计数的两个指针都为0
使用指针为参数构造时，拥有此指针，在没有智能指针指向它时进行析构
智能指针复制时，两个智能指针共同拥有内部指针，引用计数同时+1
智能指针可以使用智能指针或普通指针重新赋值。重载=操作符，对于智能指针赋值，需要考虑是否自赋值，以避免将自身析构了后再重新赋值，而普通指针赋值给智能指针，则不需要考虑自赋值，因为两者本身是两个类型
获得底层指针的访问，定义getPtrPointer()和getPtrCounter()来分别返回底层指针和引用计数，定义operator bool()来处理智能指针隐式转换为bool的情况
重载->和×操作符，来实现与普通指针相同的指针访问
需要支持隐式指针类型转换，static_cast不支持而dynamic_cast支持的转换则使用Cast<T2>()成员函数来解决。考虑定义友元类，以防止指向派生类的智能指针有权限访问基类的内部对象；当转型不成功时，返回为空
如果一个裸指针直接用来创建两个智能指针的话，期望的情况是当两个智能指针析构掉的时候，该指针会被delete两次从而崩溃（这是shared_ptr的特点）
不处理循环引用（也是shared_ptr的特点），可以通过与weak_ptr协作来打破循环
暂时不实现deleter机制，即只能传递给mySmartPtr一个参数

实际上，第8/第9两点往往是使用智能指针出现问题最多的地方，平时使用过程中要多加留意。

一个简单的实现

测试用例

/**********************************************
    > File Name: testmySmartPtr.cpp
    > Author: ye_create
    > Mail: 
    > Created Time: 2015年05月28日 星期四 13时03分42秒
 ***********************************************/
#include <iostream>
#include <vector>
#include "mySmartPtr.h"
using namespace std;

class Base             // 定义一个基类
{
public:
    virtual ~Base(){
        cout << "class Base" << endl;
    }
};

class Derived1 : public Base   // 派生类1
{
public:
    ~Derived1(){
        cout << "class Derived1" << endl;
    }
};    

class Derived2 : public Base    // 派生类2
{
public:
    ~Derived2(){
        cout << "class Derived2" << endl;
    }
};

int main()
{   
    int *pi = new int(42);     
    mySmartPtr<int> *hpa(new mySmartPtr<int>(pi));        // 构造函数  
    mySmartPtr<int> *hpb = new mySmartPtr<int>(*hpa);     // 拷贝构造函数  
    mySmartPtr<int>  hpd = *hpa;                          // 拷贝构造函数  
    // 观察引用计数的变化
    cout << hpa->getPtrCounter() << " " << hpb->getPtrCounter() << " "<< hpd.getPtrCounter() << endl;  
    delete hpa;  
    cout << hpd.getPtrCounter() << endl;  
    delete hpb;  
    cout << hpd.getPtrCounter() << endl;

    // 观察派生类向基类的隐式转换
    vector<mySmartPtr<Base> > obj;        // 父类指针vector
    obj.push_back(new Derived1);          // 存入子类
    obj.push_back(new Derived2);

    vector<mySmartPtr<Base> > obj2;  
    obj2.push_back(obj[0]);

    if (obj2[0])
        cout << "Cast Derived1 to Base successd" << endl;
    else
        cout << "Cast Derived1 to Base failed" << endl;

    // 观察不同类型的显式转换
    mySmartPtr<Derived1> d1 = new Derived1;
    mySmartPtr<Base> b = d1;              
    mySmartPtr<Derived2> d2 = b.Cast<Derived2>();  
    // d2是空，因为b指向的是Derived1而不是Derived2
    if (d2)
        cout << "Cast Derived1 to Derived2 successd" << endl;
    else
        cout << "Cast Derived1 to Derived2 failed" << endl;

    return 0;
}

mySmartPtr实现

/*************************************************************************
    > File Name: mySmartPtr.cpp
    > Author: ye_create
    > Mail: 
    > Created Time: 2015年05月28日 星期四 13时35分00秒
 ************************************************************************/

template <typename T>
class mySmartPtr
{
public:
    // 构造函数 默认为空
    mySmartPtr(): pointer(0), counter(0)
    {
    } 

    // 形参为指针的构造函数
    mySmartPtr(T* p): pointer(0), counter(0){
        *this = p;
    }

    // 复制构造函数
    mySmartPtr(const mySmartPtr<T> &p): 
    pointer(p.pointer), counter(p.counter){
        Increase();
    }

    ~mySmartPtr(){
        Decrease();
    }

    // 指针的赋值操作符，类型不同，不是自赋值
    mySmartPtr operator=(T* p){
        Decrease();
        if (p){
            pointer = p;
            counter = new int(1);
        }
        else {
            pointer = 0;
            counter = 0;
        }
        return *this;
    }

    // 智能指针赋值操作符
    mySmartPtr operator=(mySmartPtr<T> &p){
        // 处理自赋值
        if (this != &p){
            Decrease();
            pointer = p.pointer;
            counter = p.counter;
            Increase();
        }
        return *this;
    }

    operator bool() const{
        return counter != 0;
    }

    // ×操作符重载
    T* operator*() const{
        return this;
    }

    // ->操作符重载
    T* operator->() const{
        return pointer;
    }

    // 返回底层指针
    int getPtrPointer() const{
        return *pointer;
    }

    // 返回引用计数
    int getPtrCounter() const{
        return *counter;
    }

    // 处理父类子类的情况， ptr<derived>不能访问 ptr<based>的内部对象
    template<typename C> friend class mySmartPtr;

    template<typename C> 
    mySmartPtr(const mySmartPtr<C> &p): 
        pointer(p.pointer), counter(p.counter){
            Increase();
        }

    template<typename C>
    mySmartPtr<T> & operator=(const mySmartPtr<C> &p){
        Decrease();
        pointer = p.pointer;
        counter = p.counter;
        Increase();
        return *this;
    }

    // 处理内部使用 dynamic_cast做判断的转换，失败则空指针
    template<typename C>
    mySmartPtr<C> Cast() const{
        C* converted = dynamic_cast<C*>(pointer);
        mySmartPtr<C> result;
        if (converted){
            result.pointer = converted;
            result.counter = counter;
            result.Increase();
        }
        return result;
    }

private:
    T*      pointer;
    int*    counter;

    void Increase(){
        if (counter) 
            ++*counter;
    }

    void Decrease(){
        if (counter && --*counter == 0){
            delete pointer;
            delete counter;
            counter = 0;
            pointer = 0;
        }
    }

};

条款1：不要把一个原生指针给多个shared_ptr管理

int* ptr = new int;

shared_ptr<int> p1(ptr);

shared_ptr<int> p2(ptr); //logicerror

ptr对象被删除了2次

这种问题比喻成“二龙治水”，在原生指针中也同样可能发生。

条款2：不要把this指针给shared_ptr

class Test{

public:

void Do(){ m_sp = shared_ptr<Test>(this); }

private:

shared_ptr<Test> m_member_sp;

};

Test* t = new Test;

shared_ptr<Test>local_sp(t);

p->Do();

发生什么事呢，t对象被删除了2次！

t对象给了local_sp管理，然后在m_sp = shared_ptr<Test>(this)这句里又请了一尊神来管理t。

这就发生了条款1里“二龙治水”错误。

条款3：shared_ptr作为被保护的对象的成员时，小心因循环引用造成无法释放资源。

对象需要相互协作，对象A需要知道对象B的地址，这样才能给对象B发消息（或调用其方法）。

设计模式中有大量例子，一个对象中有其他对象的指针。现在把原生指针替换为shared_ptr.

假设a对象中含有一个shared_ptr指向b对象；假设b对象中含有一个shared_ptr<A>指向a对象

并且a，b对象都是堆中分配的。很轻易就能与他们失去最后联系。

考虑某个shared_ptr<A>local_a;是我们能最后一个看到a对象的共享智能指针，其use_count==2,

因为对象b中持有a的指针。所以当local_a说再见时，local_a只是把a对象的use_count改成1。

同理b对象。然后我们再也看不到a,b的影子了，他们就静静的躺在堆里，成为断线的风筝。

解决方案是：Use weak_ptr to "break cycles."（boost文档里写的）或者显示的清理

条款4：不要在函数实参里创建shared_ptr

function ( shared_ptr<int>(newint), g( ) ); //有缺陷

可能的过程是先new int，然后调g( )，g()发生异常，shared_ptr<int>没有创建，int内存泄露

shared_ptr<int> p(newint());

f(p, g()); //Boost推荐写法

条款5：对象内部生成shared_ptr

前面说过，不能把this指针直接扔给shared_ptr. 但是没有禁止在对象内部生成自己的shared_ptr

//这是Boost的例子改的。

class Y: publicboost::enable_shared_from_this<Y>

{

boost::shared_ptr<Y> GetSelf()

{

return shared_from_this();

}

};

原理是这样的。普通的（没有继承enable_shared_from_this）类T的shared_ptr<T>p(new T).

p作为栈对象占8个字节，为了记录（new T）对象的引用计数，p会在堆上分配16个字节以保存

引用计数等“智能信息”。share_ptr没有“嵌入(intrusive)”到T对象，或者说T对象对share_ptr毫不知

情。Y对象则不同，Y对象已经被“嵌入”了一些share_ptr相关的信息，目的是为了找到“全局性”的

那16字节的本对象的“智能信息”。

原理说完了，就是陷阱

Y y;

boost::shared_ptr<Y> p= y.GetSelf(); //无知的代码，y根本就不是new出来的

Y* y = new Y;

boost::shared_ptr<Y> p= y->GetSelf(); //似是而非，仍旧程序崩盘。

Boost文档说，在调用shared_from_this()之前，必须存在一个正常途径创建的shared_ptr

boost::shared_ptr<Y> spy(newY)

boost::shared_ptr<Y> p = spy->GetSelf(); //OK

条款6 ：处理不是new的对象要小心。

int* pi = (int*)malloc(4)

shared_ptr<int> sp( pi ) ;//delete马嘴不对malloc驴头。

条款7：多线程对引用计数的影响。

如果是轻量级的锁，比如InterLockIncrement等，对程序影响不大

如果是重量级的锁，就要考虑因为share_ptr维护引用计数而造成的上下文切换开销。

1.33版本以后的shared_ptr对引用计数的操作使用的是Lock-Free（类似InterLockIncrement函数族）

的操作，应该效率不错，而且能保证线程安全（库必须保证其安全，程序员都没有干预这些隐藏事物的机会）。

Boost文档说read，write同时对shared_ptr操作时，行为不确定。这是因为shared_ptr本身有两个成员px，pi。

多线程同时对px读写是要出问题的。与一个int的全局变量多线程读写会出问题的原因一样。

条款8：对象数组用shared_array

int* pint = new int[100];

shared_array<int> p (pint);

既然shared_ptr对应着delete；显然需要一个delete[]对应物shared_array

条款9：学会用删除器

struct Test_Deleter

{

void operator ()( Test* p){ ::free(p); }

};

Test* t = (Test*)malloc(sizeof(Test));

new (t) Test;

shared_ptr<Test> sp( t , Test_Deleter() ); //删除器可以改变share_ptr销毁对象行为

有了删除器，shared_array无用武之地了。

template<class T>

struct Array_Deleter

{

void operator ()( T*){ delete[] p; }

};

int* pint = new int[100];

shared_ptr<int> p (pint,Array_Deleter<int>() );

条款10：学会用分配器

存放引用计数的地方是堆内存，需要16-20字节的开销。

如果大量使用shared_ptr会造成大量内存碎片。

shared_ptr构造函数的第3个参数是分配器，可以解决这个问题。

shared_ptr<Test> p( (new Test),Test_Deleter(), Mallocator<Test>());

注意删除器Test_Deleter是针对Test类的。分配器是针对shared_ptr内部数据的。

Mallocator<Test>()是个临时对象（无状态的），符合STL分配器规约。

template <typenameT>

class Mallocator {

//略。。。。。。

T * allocate(constsize_t n) const {

returnsingleton_pool<T,sizeof(T)>::malloc();

}

//略。。。。。。

Mallocator传入Test，实际分配的类型确是

class boost::detail::sp_counted_impl_pda<classTest *,

structTest_Deleter,

classMallocator<class Test>>

这是用typeid(T).name()打印出来的。可能和rebind相关。

条款11 weak_ptr在使用前需要检查合法性。

weak_ptr<K> wp;

{

shared_ptr<K> sp(new K); //sp.use_count()==1

wp = sp; //wp不会改变引用计数，所以sp.use_count()==1

shared_ptr<K> sp_ok = wp.lock();//wp没有重载->操作符。只能这样取所指向的对象

}

shared_ptr<K> sp_null =wp.lock(); //sp_null .use_count()==0;

因为上述代码中sp和sp_ok离开了作用域，其容纳的K对象已经被释放了。

得到了一个容纳NULL指针的sp_null对象。在使用wp前需要调用wp.expired()函数判断一下。

因为wp还仍旧存在，虽然引用计数等于0，仍有某处“全局”性的存储块保存着这个计数信息。

直到最后一个weak_ptr对象被析构，这块“堆”存储块才能被回收。否则weak_ptr无法直到自己

所容纳的那个指针资源的当前状态。

条款12 不要newshared_ptr<T>

本来shared_ptr就是为了管理指针资源的，不要又引入一个需要管理的指针资源shared_ptr<T>*

条款13 尽量不要get

class B{...};

class D : public B{ ...}; //继承层次关系

shared_ptr sp (new D); //通过隐式转换，储存D的指针。

B* b = sp.get(); //shared_ptr辛辛苦苦隐藏的原生指针就这么被刨出来了。

D* d = dynamic_cast<D*>(b); //这是使用get的正当理由吗？

正确的做法

shared_ptr spb (new D) ;

shared_ptr<D> spd =shared_dynamic_cast<D>(spb);//变成子类的指针

shared_ptr在竭尽全力表演的像一个原生指针，原生指针能干的事，它也基本上能干。

另一个同get相关的错误

shared_ptr<T> sp(new T);

shared_ptr<T> sp2( sp.get() );//又一个“二龙治水”实例，指针会删2次而错误。

条款14 不要memcpy shared_ptr

shared_ptr sp1 (new B) ;

shared_ptr sp2;

memcpy(&sp2,&sp1,sizeof(shared_ptr));//sp2.use_count()==1

很显然，不是通过正常途径（拷贝构造，赋值运算），引用计数是不会正确增长的。

条款15 使用BOOST预定义的宏去改变shared_ptr行为。

shared_ptr行为由类似BOOST_SP_DISABLE_THREADS这样的宏控制。需要去学习他们到底是干什么的。

大师Andrei Alexandrescu设计了一种基于模板策略设计模式的智能指针，通过几个模板参数去定制化

智能指针的行为。Boost却不以为然，官方解释是：需要统一的接口，这样利于大规模书写。

smart_ptr<T,OwnershipPolicy,ConversionPolicy,CheckingPolicy,StoragePolicy>sp(new T);

上述接口缺点是外形复杂，看上去像个大花脸。优点是客户程序员可以轻易的定制行为。

条款17 构造函数里调用shared_from_this抛例外

class Holder:publicenable_shared_from_this<Holder>{

public:

Holder() {

shared_ptr<Holder>sp = shared_from_this();

int x = sp.use_count();

}

};

同前面条款5，不符合enable_shared_from_this使用前提。

总结：

学习了一天就总结出10多条条款，长期研究一下恐怕就出现条款100了。为什么还要使用shared_ptr呢？

有很多开源库用shared_ptr，而且shared_ptr具有“传染性”（某网友语：像毒品沾上就甩不掉），

抛开它就会有更严重的多龙治水现象。shared_ptr作为原生指针的替代品，能解决一定的内存泄露问题。

实际上初学原生指针时，每个人都遇到过野指针，删两次，忘记删除等问题。学习shared_ptr也会遇到。

shared_ptr的确能改善上述问题，并不能完全解决问题。shared_ptr可能在将来占主流，它最可能号令江湖，

否则一大堆auto_ptr,weak_ptr,原生指针，scoped_ptr共存就把人搞糊涂了。

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