源码分析shared_ptr实现之修订版

发表于 4年以前 | 总阅读数：566 次

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智能指针是C++中一项很常用的技术，合理的使用智能指针可以更方便的管理内存，降低内存泄漏的风险，这里只介绍C++11后官方的智能指针。01智能指针的种类

unique_ptr
shared_ptr
weak_ptr

关于智能指针使用以及区别可以自行查找资料，这里主要介绍智能指针的实现原理。

shared_ptr的实现

我们平时看文档都知道shared_ptr内部是使用引用计数来记录托管指针被引用的次数，当托管指针的引用计数为0时会释放托管的内存，这里通过gcc源码探究shared_ptr内部究竟是如何实现的内存引用计数功能。非标准类图如下：

点击查看大图如上图，shared_ptr类几乎什么都没有做，它是继承了shared_ptr, shared_ptr内部有一个类型为shared_count类型的成员_M_refcount, shared_count内部有类型为_Sp_counted_base*的_M_pi的成员， _Sp_counted_base才是整个shared_ptr功能的核心，通过_Sp_counted_base控制引用计数来管理托管的内存，由图可见_Sp_counted_base内部不持有托管内存的指针，这里__shared_count内部的成员其实是一个继承自_Sp_counted_base的_Sp_counted_ptr类型，_Sp_counted_ptr类型内部持有托管内存的指针_M_ptr, _M_pi是一个_Sp_counted_base基类对象指针，指向_Sp_counted_ptr子类对象内存，这样_M_pi内部就既可以控制引用计数，又可以在最后释放托管内存。这里称_M_pi为管理对象，它内部的_M_ptr为托管对象，管理同一块托管对象的多个shared_ptr内部共用一个管理对象(_M_pi), 这里的多个shared_ptr可能是通过第一个shared_ptr拷贝或者移动而来，管理对象内部有两个成员变量_M_use_count和_M_weak_count, _M_use_count表示托管对象的引用计数，控制托管对象什么时候析构和释放，大概就是有N个shared_ptr的拷贝那引用计数就是N，当引用计数为0时调用托管对象的析构函数且释放内存。_M_weak_count表示管理对象的引用计数，引用管理对象也是一个内存指针，这块指针是初始化第一个shared_ptr时new出来的，到最后也需要delete，所以使用_M_weak_count来控制管理对象什么时候析构，我们平时用到的weak_ptr内部其实持有的就是这个管理对象的指针，当weak_ptr拷贝时，管理对象的引用计数_M_weak_count就会增加，当_M_weak_count为0时，管理对象_M_pi就会析构且释放内存。 _M_use_count是如何加减的

_M_use_count表示托管对象的引用计数，即当shared_ptr拷贝时会增加，当shared_ptr析构时会减少，看代码：

<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <<span class="code-snippet__keyword">typename _Yp>

shared_ptr(const __shared_ptr<_Yp, _Lp>& r,

<span class="code-snippet_outer">                element_type* __p) <span class="code-snippet__keyword">noexcept

: _M_ptr(p), _M_refcount(r._M_refcount) // never throws

<span class="code-snippet_outer">{

}

<span class="code-snippet_outer"><br></br>

shared_count(const __shared_count& r) noexcept : _M_pi(__r._M_pi)

<span class="code-snippet_outer">{

if (_M_pi != 0) _M_pi->_M_add_ref_copy();

<span class="code-snippet_outer">}

<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <>

inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_add_ref_copy()

<span class="code-snippet_outer">{

++_M_use_count;

<span class="code-snippet_outer">}
```
```


shared\_ptr拷贝时，内部**shared\_count类型的\_M\_refcount会进行拷贝，**shared\_count的拷贝构造函数会调用\_M\_add\_ref\_copy()方法，\_M\_add\_ref\_copy()方法中会将\_M\_use\_count加1。这里再看下shared\_ptr的赋值构造函数：- 
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```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <<span class="code-snippet__keyword">typename _Yp>

_Assignable<const shared_ptr<_Yp>&> operator=(

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">const <span class="code-snippet__built_in">shared_ptr<_Yp>& __r) <span class="code-snippet__keyword">noexcept

{

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">this->__shared_ptr<_Tp>::<span class="code-snippet__keyword">operator=(__r);

return *this;

<span class="code-snippet_outer">}

<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <<span class="code-snippet__keyword">typename _Yp>

_Assignable<_Yp> operator=(const __shared_ptr<_Yp, _Lp>& r) <span class="code-snippetkeyword">noexcept

<span class="code-snippet_outer">{

_M_ptr = __r._M_ptr;

<span class="code-snippet_outer">    _M_refcount = __r._M_refcount;  <span class="code-snippet__comment">// __shared_count::op= doesn't throw

return *this;

<span class="code-snippet_outer">}

<span class="code-snippet_outer">__shared_count& <span class="code-snippet__keyword">operator=(<span class="code-snippet__keyword">const __shared_count& __r) <span class="code-snippet__keyword">noexcept

{

<span class="code-snippet_outer">    _Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;

if (__tmp != _M_pi) {

<span class="code-snippet_outer">        <span class="code-snippet__keyword">if (__tmp != <span class="code-snippet__number">0) __tmp->_M_add_ref_copy();

if (_M_pi != 0) _M_pi->_M_release();

<span class="code-snippet_outer">        _M_pi = __tmp;

}

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">return *<span class="code-snippet__keyword">this;

}

从代码中可见，shared_ptr的operator=会调用shared_ptr的operator=进而调用shared_count的operator=，从这里可以看出管理同一块托管对象的shared_ptr共用的同一个管理对象的指针。_M_use_count是如何减为0的，可以猜想到shared_ptr析构时会调用__shared_count的析构函数，看精简代码：

<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">~__shared_count() <span class="code-snippet__keyword">noexcept

{

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">if (_M_pi != <span class="code-snippet__literal">nullptr) _M_pi->_M_release();

}

<span class="code-snippet_outer"><br></br>

template <>

<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">inline <span class="code-snippet__keyword">void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_release() <span class="code-snippet__keyword">noexcept

{

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">if (--_M_use_count == <span class="code-snippet__number">0) {

_M_dispose();

<span class="code-snippet_outer">        <span class="code-snippet__keyword">if (--_M_weak_count == <span class="code-snippet__number">0) _M_destroy();

}

<span class="code-snippet_outer">}

<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">virtual <span class="code-snippet__keyword">void _M_dispose() <span class="code-snippet__keyword">noexcept { <span class="code-snippet__keyword">delete _M_ptr; }
```
```

在shared\_ptr生命周期结束析构时会将引用计数减1，如果引用引用计数为0，会调用\_M\_dispose()函数进而释放托管对象内存。
\_M\_weak\_count是如何加减的

上面的代码中可以看见—\_M\_weak\_count为0时，会调用\_M\_destroy()函数，这里看看—\_M\_weak\_count是如何加减的。管理对象初始化时\_M\_weak\_count的初始值为1
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```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">_Sp_counted_base() <span class="code-snippet__keyword">noexcept : _M_use_count(<span class="code-snippet__number">1), _M_weak_count(<span class="code-snippet__number">1) {}
```
```

注意当shared\_ptr拷贝或者移动时\_M\_weak\_count是不会增加的，它表示的是管理对象的计数，只有当\_\_M\_use\_count为0时\_M\_weak\_count才会减1，除此之外\_M\_weak\_count的数值是由weak\_ptr控制的。
由上面类图可以看见weak\_ptr内部其实和shared\_ptr内部持有的是同一个管理对象指针，即\_Sp\_counted\_base的指针，当weak\_ptr拷贝析构时候，\_Sp\_counted\_base内部的\_M\_weak\_count会相应加减。
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```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">__weak_count(<span class="code-snippet__keyword">const __weak_count& __r) <span class="code-snippet__keyword">noexcept : _M_pi(__r._M_pi)

{

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">if (_M_pi != <span class="code-snippet__literal">nullptr) _M_pi->_M_weak_add_ref();

}

<span class="code-snippet_outer"><br></br>

template <>

<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">inline <span class="code-snippet__keyword">void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_weak_add_ref() <span class="code-snippet__keyword">noexcept

{

<span class="code-snippet_outer">    ++_M_weak_count;

}

<span class="code-snippet_outer"><br></br>

~__weak_count() noexcept

<span class="code-snippet_outer">{

if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release();

<span class="code-snippet_outer">}

<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <>

inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_weak_release() noexcept

<span class="code-snippet_outer">{

if (--_M_weak_count == 0) _M_destroy();

<span class="code-snippet_outer">}

<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">virtual <span class="code-snippet__keyword">void _M_destroy() <span class="code-snippet__keyword">noexcept { <span class="code-snippet__keyword">delete <span class="code-snippet__keyword">this; }
```
```

从代码中可以看出，weak\_ptr拷贝时\_M\_weak\_count加1，析构时\_M\_weak\_count减1，当\_M\_weak\_count为0时，表示不再需要管理对象来控制托管对象，调用\_M\_destroy()的delete this来释放管理对象内存。关于delete this，我们之后的文章会讲到。

weak\_ptr的expired()和lock()做了什么

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```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__function"><span class="code-snippet__keyword">bool <span class="code-snippet__title">expired<span class="code-snippet__params">() <span class="code-snippet__keyword">const <span class="code-snippet__keyword">noexcept

{

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">return _M_refcount._M_get_use_count() == <span class="code-snippet__number">0;

}

weak_ptr的expired()函数只是看了托管对象的引用计数是否为0，为0返回true

<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">__shared_ptr<_Tp, _Lp> lock() <span class="code-snippet__keyword">const <span class="code-snippet__keyword">noexcept

{

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__keyword">return __shared_ptr<element_type, _Lp>(*<span class="code-snippet__keyword">this, <span class="code-snippet__built_in">std::nothrow);

}

<span class="code-snippet_outer"><br></br>

shared_ptr(const __weak_ptr<_Tp, _Lp>& r, std::nothrow_t)

<span class="code-snippet_outer">    : _M_refcount(__r._M_refcount, <span class="code-snippet__built_in">std::nothrow)

{

<span class="code-snippet_outer">    _M_ptr = _M_refcount._M_get_use_count() ? __r._M_ptr : <span class="code-snippet__literal">nullptr;

}

weak_ptr的lock()函数是打算返回一个shared_ptr对象来延长托管对象的生命周期，这里返回后需要判断返回值是否为nullptr。 shared_from_this()是如何实现的

精简代码如下：

<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__class"><span class="code-snippet__keyword">class <span class="code-snippet__title">enable_shared_from_this

{

<span class="code-snippet_outer">    <span class="code-snippet__built_in">shared_ptr<<span class="code-snippet__keyword">const _Tp> shared_from_this() <span class="code-snippet__keyword">const

{

<span class="code-snippet_outer">        <span class="code-snippet__keyword">return <span class="code-snippet__built_in">shared_ptr<<span class="code-snippet__keyword">const _Tp>(<span class="code-snippet__keyword">this->_M_weak_this);

}

<span class="code-snippet_outer"><br></br>

mutable weak_ptr<_Tp> _M_weak_this;


<span class="code-snippet_outer">};
```
```

使用shared\_from\_this()的类需要继承enable\_shared\_from\_this类，enable\_shared\_from\_this类中持有一个类型为weak\_ptr的成员\_M\_weak\_this，调用shared\_from\_this()就是将内部持有的weak\_ptr转成了shared\_ptr。
总结

shared\_ptr内部使用\_\_shared\_count中的\_Sp\_counted\_base对象来控制托管指针，\_Sp\_counted\_base内部有\_M\_use\_count和\_M\_weak\_count，\_M\_use\_count表示托管指针的引用计数，\_M\_weak\_count表示\_Sp\_counted\_base的引用计数，\_M\_use\_count为0时候释放托管指针指向的内存，\_M\_weak\_count为0时释放\_Sp\_counted\_base指向的内存，这里\_Sp\_counted\_base的生命线一般不会短于shared\_ptr的生命线。

注意：文中所说的释放指针指向的内存不太准确，这里表示delete \*ptr，既调用析构函数又释放相应内存。

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