C++智能指針的底層實(shí)現(xiàn)原理
1. shared_ptr：
智能指針從本質(zhì)上來說是一個(gè)模板類，用類實(shí)現(xiàn)對指針對象的管理。
class shared_ptr;
template
shared_ptr(Y* ptr, Deleter d);
template
shared_ptr(Y* ptr, Deleter d, Alloc alloc);
shared_ptr能解決的問題：
- 忘記釋放資源導(dǎo)致的內(nèi)存泄漏；
- 多個(gè)指針指向同一資源時(shí)可能產(chǎn)生的懸垂指針；
- （待補(bǔ)充）。。。
1.1 從避免出現(xiàn)懸垂指針引出shared_ptr的實(shí)現(xiàn)原理：
先來看一個(gè)普通指針可能出現(xiàn)的懸垂問題：
當(dāng)有多個(gè)指針指向同一個(gè)基礎(chǔ)對象時(shí)，如果某個(gè)指針delete了該基礎(chǔ)對象，對于其他指針來說，它們是無法感知的，此時(shí)則出現(xiàn)了懸垂指針，如果再對其他指針進(jìn)行操作，則可能會導(dǎo)致core dump。
（core dump的原因：因?yàn)橐呀?jīng)調(diào)用了delete，相當(dāng)于已經(jīng)將內(nèi)存資源歸還給了系統(tǒng)，如果有其他地方向系統(tǒng)申請資源時(shí)，系統(tǒng)則重新分配這塊內(nèi)存。此時(shí)有兩種情況：① 原始的懸垂指針調(diào)用delete，系統(tǒng)檢測到二次釋放，直接core dump；② 原始的懸垂指針對指針地址上的內(nèi)存進(jìn)行讀、寫操作，可能意外的改寫了其他程序的內(nèi)容，即“踩內(nèi)存”，導(dǎo)致發(fā)生意想不到的情況。）
int* ptr2 = ptr1;
int* ptr3 = ptr1;
cout << *ptr1 << endl;
cout << *ptr2 << endl;
cout << *ptr3 << endl; //沒有問題，三個(gè)指針指向同一塊內(nèi)存地址
delete ptr1; //通過ptr1釋放了內(nèi)存資源，ptr2和ptr3成為懸垂指針
//...
cout << *ptr2 << endl; //可能沒問題，可能有問題
普通指針出現(xiàn)懸垂的根本原因在于：當(dāng)多個(gè)指針同時(shí)指向同一個(gè)內(nèi)存資源時(shí)，如果通過其中的某一個(gè)指針delete釋放了資源，其他指針無法感知到。
解決方法自然想到了“引用計(jì)數(shù)” ---- 通過一塊額外的內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)對原始內(nèi)存的管理。
在這塊 “控制塊” 內(nèi)存中，保存當(dāng)前對原始內(nèi)存資源的引用計(jì)數(shù)。
普通指針多指針場景下出現(xiàn)懸垂指針的原因：
引入“控制塊”，保存對于基礎(chǔ)對象的“引用計(jì)數(shù)”，示例中有ptr1、ptr2、ptr3三個(gè)指針同時(shí)指向同一基礎(chǔ)對象，因此對應(yīng)這個(gè)基礎(chǔ)對象的引用計(jì)數(shù)為 3：
當(dāng)有某個(gè)指針退出作用域，或調(diào)用了delete釋放資源時(shí)，系統(tǒng)并非真正的釋放基礎(chǔ)對象，而是對引用計(jì)數(shù)減一。
那么何時(shí)才可以刪除基礎(chǔ)對象呢？當(dāng)只有一個(gè)指針指向基礎(chǔ)對象的時(shí)候，就可以大大方方的通過該指針將基礎(chǔ)對象刪除（真正的調(diào)用delete釋放基礎(chǔ)對象的資源）。
對于“控制塊”的實(shí)現(xiàn)方式：
對“控制塊”中“引用計(jì)數(shù)”的管理：
1、構(gòu)造函數(shù)：
當(dāng)創(chuàng)建類的新對象時(shí)，初始化指針，并將引用計(jì)數(shù)設(shè)置為 1；
2、拷貝構(gòu)造函數(shù)：
當(dāng)對象作為另一個(gè)對象的副本時(shí)（即發(fā)生“拷貝構(gòu)造”時(shí)），拷貝構(gòu)造函數(shù)拷貝副本指針，并對引用計(jì)數(shù) 加1；
3、拷貝賦值運(yùn)算符：
當(dāng)使用“拷貝賦值運(yùn)算符”（=）時(shí)，處理復(fù)雜一點(diǎn)：
a. 先使“左操作數(shù)”的指針的引用計(jì)數(shù)減1 （為何減一：因?yàn)樵撝羔樢呀?jīng)指向別的地方，則指向原基礎(chǔ)對象的指針個(gè)數(shù)減1）， 如果減1后引用計(jì)數(shù)降為0，則釋放指針?biāo)笇ο蟮膬?nèi)存資源；
b. 然后增加“右操作數(shù)”所指對象的引用計(jì)數(shù)（為何加一：因?yàn)榇藭r(shí)左操作數(shù)轉(zhuǎn)而指向此基礎(chǔ)對象，則指向此基礎(chǔ)對象的指針個(gè)數(shù)加1）；
4、析構(gòu)函數(shù)：
調(diào)用析構(gòu)函數(shù)時(shí)，析構(gòu)函數(shù)先使引用計(jì)數(shù)減1，如果減至0則delete釋放對象。
shared_ptr類的“構(gòu)造函數(shù)”使得基礎(chǔ)對象的引用計(jì)數(shù)遞增，shared_ptr類的“析構(gòu)函數(shù)”使得基礎(chǔ)對象的引用計(jì)數(shù)遞減。
當(dāng)最后一個(gè)指向基礎(chǔ)對象的shared_ptr被析構(gòu)時(shí)，會調(diào)用delete釋放基礎(chǔ)對象的內(nèi)存資源。
1.2 make_shared：
注意 make_shared 是 函數(shù)模板，不是類模板，make_shared函數(shù)模板的返回值類型是 shared_ptr。
shared_ptr make_shared(); //make_shared()模板函數(shù)，返回一個(gè)shared_ptr 類型的返回值
template
shared_ptr make_shared(Args&&... args);
//例如：
shared_ptr p1 = make_shared(10, '9');
shared_ptr p2 = make_shared("hello");
shared_ptr p3 = make_shared();
make_shared的優(yōu)點(diǎn)：
- 效率更高；
- 異常安全。
make_shared的缺點(diǎn)：
- 構(gòu)造函數(shù)是保護(hù)或私有時(shí)，無法使用make_shared；
- 對象內(nèi)存可能無法及時(shí)回收。
1.2.1 優(yōu)點(diǎn)：效率更高：
假設(shè)原始對象類型為 widget，shared_ptr的“控制塊”中需要維護(hù)的關(guān)于“引用計(jì)數(shù)”的信息包括：
- 強(qiáng)引用：用來計(jì)數(shù)當(dāng)前有多少存活的shared_ptr正持有該對象，共享的對象會在最后一個(gè)強(qiáng)引用離開的時(shí)候釋放；
- 弱引用：用來記錄當(dāng)前有多少個(gè)正在觀察該對象的weak_ptr，當(dāng)最后一個(gè)弱引用離開的時(shí)候，共享的內(nèi)部信息控制塊會被釋放。
如果通過原始的new表達(dá)式分配對象，然后傳遞給shared_ptr（即使用shared_ptr內(nèi)部的構(gòu)造函數(shù)），則“控制塊內(nèi)存”與“基礎(chǔ)對象內(nèi)存”是分離開的，如圖所示：
此時(shí)是兩個(gè)分配內(nèi)存的動(dòng)作，所以控制塊與基礎(chǔ)對象的內(nèi)存是分離的（可能造成內(nèi)存碎片）。控制塊的內(nèi)存是在shared_ptr的構(gòu)造函數(shù)中分配的。
shared_ptr sp1(p); //用p去初始化sp1，此時(shí)引用計(jì)數(shù)為1
shared_ptr sp2(sp1); //用sp1去拷貝初始化sp2，此時(shí)引用計(jì)數(shù)為2
如果使用 make_shared 的方式，則只需要一次分配內(nèi)存，分配出的內(nèi)存結(jié)構(gòu)如圖所示：
auto sp2(sp1);
1.2.2 優(yōu)點(diǎn)：異常安全：
可能會出現(xiàn)異常的情況：
void F(shared_ptr& lhs, shared_ptr& rhs) { ... }
//調(diào)用F函數(shù)：
F(shared_ptr(new Lhs("foo")), shared_ptr(new Rhs("bar")));
C++是不保證參數(shù)求值順序，以及內(nèi)部表達(dá)式的求值順序的，所以可能的執(zhí)行順序如下：
2. new Rhs("bar")
3. shared_ptr
4. shared_ptr
此時(shí)，如果程序在第2步時(shí)拋出一個(gè)異常（比如out of memory等，Rhs的構(gòu)造函數(shù)異常的），那么在第1步中new分配的Lhs對象內(nèi)存將無法釋放，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。
這個(gè)問題的核心在于 shared_ptr 沒有立即獲得new分配出來的裸指針，shared_ptr與new結(jié)合使用時(shí)是要分成兩步。
修復(fù)這個(gè)問題的方式有兩種：
（1）不要將new操作放到函數(shù)形參初始化中，這樣將無法保證求值順序：
auto lhs = shared_ptr(new Lhs("foo"));
auto rhs = shared_ptr(new Rhs("bar"));
F(lhs, rhs);
（2）更推薦的方法，是使用make_shared，一步到位 ：
1.2.3 缺點(diǎn)：構(gòu)造函數(shù)是保護(hù)或私有時(shí)無法使用：
當(dāng)我們想要?jiǎng)?chuàng)建的對象沒有公有的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，make_shared就無法使用了。
1.2.4 對象內(nèi)存可能無法及時(shí)回收：
make_shared的優(yōu)點(diǎn)是只需申請一次內(nèi)存，帶來了性能上的提升。但這一性能同樣也給make_shared帶來了缺點(diǎn)：
智能指針的“控制塊”中保存著兩類關(guān)于“引用計(jì)數(shù)”的信息：
- 強(qiáng)引用；（strong refs）
- 弱引用。（weak refs）
“弱引用計(jì)數(shù)”用來保存當(dāng)前正在指向此基礎(chǔ)對象的weak_ptr指針的個(gè)數(shù)，weak_ptr會保持控制塊的生命周期，因此有一種特殊情況是：強(qiáng)引用的引用計(jì)數(shù)已經(jīng)降為0，沒有shared_ptr再持有基礎(chǔ)對象，然而由于仍有weak_ptr指向基礎(chǔ)對象，弱引用的引用計(jì)數(shù)非0，原本因?yàn)閺?qiáng)引用計(jì)數(shù)已經(jīng)歸0就可以釋放的基礎(chǔ)對象內(nèi)存，現(xiàn)在變成了“強(qiáng)引用、弱引用都減為0時(shí)才能釋放”， 意外的延遲了內(nèi)存釋放的時(shí)間。這對于內(nèi)存要求高的場景來說，是一個(gè)需要注意的問題。
（一般情況下，程序中無需考慮這種微小的差別。）
1.3 shared_ptr實(shí)現(xiàn)說明：
摘自cppreference：
在典型的實(shí)現(xiàn)中，shared_ptr 只保有兩個(gè)指針：
- get()所返回的指針；（基礎(chǔ)對象的內(nèi)存地址）
- 指向控制塊的指針。（控制塊對象的內(nèi)存地址）
控制塊是一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的對象，其中包含：
- 指向被管理對象的指針或被管理對象本身；（基礎(chǔ)對象的內(nèi)存地址）
- 刪除器；（Deleter，類型擦除）
- 分配器；（Allocator，類型擦除）
- 占用被管理對象的shared_ptr的數(shù)量（strong refs強(qiáng)引用的引用計(jì)數(shù)）；
- 涉及被管理對象的weak_ptr的數(shù)量（weak refs弱引用的引用計(jì)數(shù)） 。
1.4 shared_ptr的線程安全性：
多線程環(huán)境下，調(diào)用不同shared_ptr實(shí)例的 成員函數(shù)是不需要額外的同步手段的（例如use_count()等成員函數(shù)），即使這些shared_ptr擁有的是同樣的對象。
但是，如果多線程訪問（有寫操作）同一個(gè)shared_ptr，則需要線程同步，否則就會有race condition發(fā)生。
shared_ptr的引用計(jì)數(shù)本身是安全且無鎖的，但shared_ptr中封裝的基礎(chǔ)對象的讀寫則不是。
出現(xiàn)這種情況的原因是：shared_ptr有兩個(gè)數(shù)據(jù)成員（指向被管理對象的指針，和指向控制塊的指針），讀寫操作不能原子化。
1.5 shared_from_this：
1.5.1 多個(gè)shared_ptr管理同一指針時(shí)的重復(fù)釋放問題：
在使用shared_ptr管理指針時(shí)，有一個(gè)原則就是要盡量避免“先new、后用裸指針初始化shared_ptr” 的方式，這是因?yàn)楫?dāng)有兩個(gè)或多個(gè)shared_ptr同時(shí)管理一個(gè)指針時(shí)，多個(gè)shared_ptr之間無法共享彼此的引用計(jì)數(shù)，導(dǎo)致可能造成double free。
異常場景示例：（兩個(gè)shared_ptr共同管理同一個(gè)裸指針）
int *ptr = new int(42);
shared_ptr sp1(ptr);
shared_ptr sp2(ptr);
cout << sp1.use_count() << endl;
cout << sp2.use_count() << endl;
//sp1記錄的引用計(jì)數(shù)是1，sp2記錄的引用計(jì)數(shù)也是1，
//此時(shí)有兩個(gè)智能指針sp1和sp2同時(shí)管理ptr，相當(dāng)于有兩個(gè)獨(dú)立的控制塊
return 0;
//此時(shí)退出作用域，sp1、sp2會分別調(diào)用delete去釋放基礎(chǔ)對象*ptr，
//重復(fù)釋放，導(dǎo)致程序段錯(cuò)誤
}
由此引出一個(gè)使用shared_ptr的原則：
當(dāng)我們使用智能指針管理資源時(shí)，必須統(tǒng)一使用智能指針，而不能在某些地方使用智能指針，某些地方使用raw pointer，否則不能保持智能指針管理這個(gè)類對象的語義，從而產(chǎn)生各種錯(cuò)誤。
給shared_ptr管理的資源必須在分配時(shí)立即交給shared_ptr，即：shared_ptr sp(new T());，而不是先new出ptr，再在后面的某個(gè)地方將ptr賦給shared_ptr。
1.5.1 shared_from_this的使用場景：
上述的情況同樣可能會發(fā)生在 this指針 上面。
當(dāng)一個(gè)類被shared_ptr管理（當(dāng)使用shared_ptr管理類對象時(shí)，實(shí)際上是管理的類對象的 *this指針），且在類的成員函數(shù)中需要把當(dāng)前類對象作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù)時(shí)，就需要返回當(dāng)前對象的this指針，但是，直接傳遞this指針（相當(dāng)于裸指針）到類外，有可能會被多個(gè)shared_ptr所管理，造成與上面一樣的二次釋放的異常錯(cuò)誤。
錯(cuò)誤示例：
class C {
public:
C(int b = 10) : a(b) { cout << "constructor" << endl; }
~C() { cout << "destructor" << endl; }
void show() const { cout << "a = " << a << endl; }
C* object_ptr() { return this; } //一個(gè)返回*this指針的成員函數(shù)
private:
int a;
};
int main() {
shared_ptr sp1(new C(42)); //構(gòu)造一個(gè)C類對象，并由shared_ptr對此對象資源進(jìn)行管理
shared_ptr sp2(sp1->object_ptr());
//在某種場景下返回類對象的this指針給其他函數(shù)，我們的本意是在原有C類對象的基礎(chǔ)上累加引用計(jì)數(shù)
cout << sp1.use_count() << ", " << sp2.use_count() << endl;
//sp1、sp2的引用計(jì)數(shù)都是 1
return 0;
//在退出程序前sp1、sp2的引用計(jì)數(shù)都降為0，會分別調(diào)用delete去釋放C類對象，導(dǎo)致重復(fù)釋放，段錯(cuò)誤
}
出現(xiàn)上述異常的原因很簡單，類的成員函數(shù)將對象的this指針返回出去，this是一個(gè)普通指針，交給智能指針sp2管理，而sp2根本感知不到這個(gè)裸指針已經(jīng)被其他智能指針sp1給管理起來了。
使用shared_ptr直接管理this指針導(dǎo)致“重復(fù)釋放”的原因在于：
- 使用智能指針管理“類對象”的本質(zhì)是管理類對象的 this 指針；
- this指針與其他的普通裸指針并無區(qū)別，當(dāng)多個(gè)shared_ptr同時(shí)管理同一個(gè)this指針時(shí)，相互之間無法感知。
C++11 引入shared_from_this，使用方式如下：
- 繼承 enable_shared_from_this 類；
- 調(diào)用 shared_from_this() 成員函數(shù)先將this指針封裝進(jìn)一個(gè)shared_ptr，再將shared_ptr返回到類外供其他人使用。
使用shared_from_this 改寫上面的錯(cuò)誤示例：
//注意繼承模板類時(shí)需要先將類模板實(shí)例化，否則編譯器無法知道具體的數(shù)據(jù)類型
class C : public enable_shared_from_this {
public:
C(int b = 10) : a(b) { cout << "constructor" << endl; }
~C() { cout << "destructor" << endl; }
void show() const { cout << "a = " << a << endl; }
//C* object_ptr() { return this; } //一個(gè)返回*this指針的成員函數(shù)
//在需要返回類對象this指針的地方，調(diào)用shared_from_this成員函數(shù)先將this封裝成shared_ptr再返回
shared_ptr object_ptr() { return shared_from_this(); }
private:
int a;
};
int main() {
shared_ptr sp1(new C(42));
cout << "sp1.use_count : " << sp1.use_count() << endl;
shared_ptr sp2(sp1->object_ptr());
cout << "sp2.use_count : " << sp2.use_count() << endl;
return 0;
}
------
運(yùn)行結(jié)果：
constructor
sp1.use_count : 1
sp2.use_count : 2
destructor
shared_from_this的使用公式為：
public:
shared_ptr object_ptr() {
return shared_from_this();
}
};
1.5.2 shared_from_this的實(shí)現(xiàn)原理：
要實(shí)現(xiàn)上述的shared_from_this 的功能，首先要考慮兩個(gè)設(shè)計(jì)原則：
在類對象本身當(dāng)中不能存儲類對象本身的shared_ptr，否則類對象shared_ptry永遠(yuǎn)也不會為0，從而這些資源永遠(yuǎn)不會釋放，除非程序結(jié)束。
基于以上兩點(diǎn)要求，boost中使用的是 weak_ptr 的方式來實(shí)現(xiàn)的。
boost 1.39.0 中是這樣實(shí)現(xiàn)的：
1、首先生成類A：會依次調(diào)用 enable_shared_from_this 的構(gòu)造函數(shù) 以及 類A的構(gòu)造函數(shù)。
2、接著，外部程序會把指向類A 對象的this指針作為初始化參數(shù)來初始化一個(gè)shared_ptr，就是下面的過程：
關(guān)鍵點(diǎn)在于這個(gè)shared_ptr如何初始化， shared_ptr模板類中定義了如下的構(gòu)造函數(shù)：
explicit shared_ptr(Y *p) : px(p), pn(p)
{
boost::detail::sp_enable_shared_from_this(this, p, p);
}
//boost::detail::sp_enable_shared_from_this ：
template
inline void sp_enable_shared_from_this(boost::shared_ptr const * ppx,
Y const * py, boost::enable_shared_from_this< T > const * pe)
{
if( pe != 0 )
{
pe->_internal_accept_owner( ppx, const_cast< Y* >( py ) );
}
}
//_internal_accept_owner
template void _internal_accept_owner( shared_ptr const * ppx, Y * py ) const
{
if( weak_this_.expired() )
{
weak_this_ = shared_ptr( *ppx, py );
}
}
2. weak_ptr：
2.1 weak_ptr的特性：
- weak_ptr 只能從shared_ptr構(gòu)建；
- weak_ptr 并不影響動(dòng)態(tài)對象的生命周期，即其存在與否并不影響對象的引用計(jì)數(shù)（強(qiáng)引用的引用計(jì)數(shù)）；
- weak_ptr 沒有重載 operator-> 和 operator* 操作符，因此不可以直接通過 weak_ptr 使用對象（必須通過weak_ptr獲取到shared_ptr后才能訪問基礎(chǔ)對象）；
- weak_ptr 提供了 expired() 和 lock() 成員函數(shù)，分別用于判斷基礎(chǔ)對象是否已被銷毀、返回指向基礎(chǔ)對象的shared_ptr指針。
2.2 weak_ptr的使用場景：
3. unique_ptr 與 auto_ptr：
- 獨(dú)占型： 如 unique_ptr，一份資源僅能由一個(gè)unique_ptr管理；
- 共享型： 如 shared_ptr，一份資源可以有多個(gè)shared_ptr共同管理，當(dāng)沒有shared_ptr對象指向這份資源時(shí)，資源才會釋放，即基于引用計(jì)數(shù)原理。
C++11中共有四種智能指針：auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr。
auto_ptr是個(gè)從c++98中殘留下來的棄用特性，它是一種對智能指針進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的嘗試，這種嘗試后來成為了c++11中的unique_ptr。
3.1 auto_ptr的核心實(shí)現(xiàn)代碼：
3.2 unique_ptr的核心實(shí)現(xiàn)代碼：
unique_ptr的設(shè)計(jì)主要有如下兩點(diǎn)：
- 禁止拷貝構(gòu)造函數(shù)、拷貝賦值運(yùn)算符，即設(shè)置為=delete；
- 實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)和移動(dòng)賦值運(yùn)算符。
unique_ptr必須直接初始化，且不能通過隱式轉(zhuǎn)換來構(gòu)造，因?yàn)閡nique_ptr的構(gòu)造函數(shù)被聲明為explicit。
3.3 unique_ptr 的常用操作：
-
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