C++11 shared_ptr 与 make_shared源码剖析详解

2024-04-02 19:55

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0. 前言

所谓智能指针，可以从字面上理解为“智能”的指针。具体来讲，智能指针和普通指针的用法是相似的，不同之处在于，智能指针可以在适当时机自动释放分配的内存。也就是说，使用智能指针可以很好地避免“忘记释放内存而导致内存泄漏”问题出现。由此可见，C++ 也逐渐开始支持垃圾回收机制了，尽管目前支持程度还有限。

c++11 中发布了shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr 用以资源的管理，都是定义在memory 这个头文件中。

std::shared_ptr 允许多个shared_ptr 实例指向同一个对象，通过计数管理；
std::unique_ptr 是独占对象；
weak_ptr 是辅助类，是一种弱引用，指向shared_ptr 所管理的对象。

1. 源码分析

1.1 头文件


#include <memory>

1.2 构造


    constexpr shared_ptr() noexcept;
    template<class Y> explicit shared_ptr(Y* p);
    template<class Y, class D> shared_ptr(Y* p, D d);
    template<class Y, class D, class A> shared_ptr(Y* p, D d, A a);
    template <class D> shared_ptr(nullptr_t p, D d);
    template <class D, class A> shared_ptr(nullptr_t p, D d, A a);
    template<class Y> shared_ptr(const shared_ptr<Y>& r, T *p) noexcept;
    shared_ptr(const shared_ptr& r) noexcept;
    template<class Y> shared_ptr(const shared_ptr<Y>& r) noexcept;
    shared_ptr(shared_ptr&& r) noexcept;
    template<class Y> shared_ptr(shared_ptr<Y>&& r) noexcept;
    template<class Y> explicit shared_ptr(const weak_ptr<Y>& r);
    template<class Y> shared_ptr(auto_ptr<Y>&& r);          // removed in C++17
    template <class Y, class D> shared_ptr(unique_ptr<Y, D>&& r);
    shared_ptr(nullptr_t) : shared_ptr() { }

构造函数比较多啊，抽一个看看源码。

1.2.1 shared_ptr 的移动构造函数


template<class _Tp>
inline
shared_ptr<_Tp>::shared_ptr(shared_ptr&& __r) _NOEXCEPT
    : __ptr_(__r.__ptr_),
      __cntrl_(__r.__cntrl_)
{
    __r.__ptr_ = 0;
    __r.__cntrl_ = 0;
}

大概知道，shared_ptr 中存放一个对象的指针__ptr_ 和用以计数的__cntrl_，这两是shared_ptr 的私有成员变量：


template<class _Tp>
class shared_ptr {
    typedef _Tp element_type;
 
private:
    element_type*      __ptr_;
    __shared_weak_count* __cntrl_;
 
    ...
}

另外，移动构造函数因为只是move，所以只是将旧的shared_ptr 转移到新的里。

1.2.2 shared_ptr 的拷贝构造函数


template<class _Tp>
inline
shared_ptr<_Tp>::shared_ptr(const shared_ptr& __r) _NOEXCEPT
    : __ptr_(__r.__ptr_),
      __cntrl_(__r.__cntrl_)
{
    if (__cntrl_)
        __cntrl_->__add_shared();
}

与移动构造相同，shared_ptr 实例，需要从参数中获得__ptr_ 和 __cntrl。

但是，与移动构造函数不同的是，拷贝构造时增加对象计数的。

下面举例shared_ptr 通常的创建方式：


std::shared_ptr<int> p1;                  //不传入任何实参
std::shared_ptr<int> p2(nullptr);         //传入空指针 nullptr
std::shared_ptr<int> p3(new int(10));     //指定指针为参数
std::shared_ptr<int> p4(p3);              //或者 std::shared_ptr<int> p4 = p3;
std::shared_ptr<int> p5(std::move(p4));   //或者 std::shared_ptr<int> p5 = std::move(p4);

1.3 赋值重载


    shared_ptr& operator=(const shared_ptr& r) noexcept;
    template<class Y> shared_ptr& operator=(const shared_ptr<Y>& r) noexcept;
    shared_ptr& operator=(shared_ptr&& r) noexcept;
    template<class Y> shared_ptr& operator=(shared_ptr<Y>&& r);
    template<class Y> shared_ptr& operator=(auto_ptr<Y>&& r); // removed in C++17
    template <class Y, class D> shared_ptr& operator=(unique_ptr<Y, D>&& r);

1.4 修改的接口


    void swap(shared_ptr& r) noexcept;
    void reset() noexcept;
    template<class Y> void reset(Y* p);
    template<class Y, class D> void reset(Y* p, D d);
    template<class Y, class D, class A> void reset(Y* p, D d, A a);

reset 基本上是对应构造

1.5 获取


    T* get() const noexcept;
    T& operator*() const noexcept;
    T* operator->() const noexcept;
    long use_count() const noexcept;
    bool unique() const noexcept;
    explicit operator bool() const noexcept;

对于shared_ptr 的成员函数总结如下：

成员方法名	功能
operator=()	重载赋值号，使得同一类型的 shared_ptr 智能指针可以相互赋值。
operator*()	重载 * 号，获取当前 shared_ptr 智能指针对象指向的数据。
operator->()	重载 -> 号，当智能指针指向的数据类型为自定义的结构体时，通过 -> 运算符可以获取其内部的指定成员。
swap()	交换 2 个相同类型 shared_ptr 智能指针的内容。
reset()	当函数没有实参时，该函数会使当前 shared_ptr 所指堆内存的引用计数减 1，同时将当前对象重置为一个空指针；当为函数传递一个新申请的堆内存时，则调用该函数的 shared_ptr 对象会获得该存储空间的所有权，并且引用计数的初始值为 1。
get()	获得 shared_ptr 对象内部包含的普通指针。
use_count()	返回同当前 shared_ptr 对象（包括它）指向相同的所有 shared_ptr 对象的数量。
unique()	判断当前 shared_ptr 对象指向的堆内存，是否不再有其它 shared_ptr 对象再指向它。
operator bool()	判断当前 shared_ptr 对象是否为空智能指针，如果是空指针，返回 false；反之，返回 true。

除了上面的成员函数外，C++11 标准还支持同一类型的 shared_ptr 对象，或者 shared_ptr 和 nullptr 之间，进行 ==，!=，，>= 运算。

注意：

shared_ptr用以共享一个对象的所有权，通过计数确认自动回收；
shared_ptr 共享的对象所有权，通过存储对象的指针，并通过get() 获取存储的对象的指针；
可能在多个线程中同时用不同的shared_ptr实例，而这些实例可能指向同一个对象。多线程在没有同步的情况访问同一个shared_ptr 实例，并调用其non-const 成员函数时，有可能存在数据竞争。可以使用std::atomic* 函数保护数据竞争；

2. make_shared


template<class T, class... Args>
    shared_ptr<T> make_shared(Args&&... args);

c++11 中针对shared_ptr 还提供了make_shared 这个外部函数，用以创建一个shared_ptr 实例。

c++ 建议尽可能使用make_shared 创建shared_ptr 实例。

下面来说明下make_shared 的优缺点。

2.1 make_shared 优点

2.1.1 效率高

shared_ptr 需要维护引用计数的信息：

强引用, 用来记录当前有多少个存活的 shared_ptrs 正持有该对象. 共享的对象会在最后一个强引用离开的时候销毁( 也可能释放).
弱引用, 用来记录当前有多少个正在观察该对象的 weak_ptrs. 当最后一个弱引用离开的时候, 共享的内部信息控制块会被销毁和释放 (共享的对象也会被释放, 如果还没有释放的话).

如果你通过使用原始的 new 表达式分配对象, 然后传递给 shared_ptr (也就是使用 shared_ptr 的构造函数) 的话, shared_ptr 的实现没有办法选择, 而只能单独的分配控制块：


auto p = new widget();
shared_ptr sp1{ p }, sp2{ sp1 };

如果选择使用 make_shared 的话, 情况就会变成下面这样:


auto sp1 = make_shared(), sp2{ sp1 };

内存分配的动作, 可以一次性完成. 这减少了内存分配的次数, 而内存分配是代价很高的操作。

2.1.2 异常安全


void F(const std::shared_ptr<Lhs>& lhs, const std::shared_ptr<Rhs>& rhs) {  }
F(std::shared_ptr<Lhs>(new Lhs("foo")),
std::shared_ptr<Rhs>(new Rhs("bar")));

C++ 是不保证参数求值顺序, 以及内部表达式的求值顺序的, 所以可能的执行顺序如下:

new Lhs(“foo”))
new Rhs(“bar”))
std::shared_ptr
std::shared_ptr

好了, 现在我们假设在第 2 步的时候, 抛出了一个异常 (比如 out of memory, 总之, Rhs 的构造函数异常了), 那么第一步申请的 Lhs 对象内存泄露了. 这个问题的核心在于, shared_ptr 没有立即获得裸指针

我们可以用如下方式来修复这个问题.


auto lhs = std::shared_ptr<Lhs>(new Lhs("foo"));
auto rhs = std::shared_ptr<Rhs>(new Rhs("bar"));
F(lhs, rhs);

当然, 推荐的做法是使用 std::make_shared 来代替：


F(std::make_shared<Lhs>("foo"), std::make_shared<Rhs>("bar"));

2.2 make_shared缺点

构造函数是保护或私有时,无法使用 make_shared

make_shared 虽好, 但也存在一些问题, 比如, 当我想要创建的对象没有公有的构造函数时, make_shared 就无法使用了, 当然我们可以使用一些小技巧来解决这个问题, 比如这里 How do I call ::std::make_shared on a class with only protected or private constructors?

对象的内存可能无法及时回收

make_shared 只分配一次内存, 这看起来很好. 减少了内存分配的开销. 问题来了, weak_ptr 会保持控制块(强引用, 以及弱引用的信息)的生命周期, 而因此连带着保持了对象分配的内存, 只有最后一个 weak_ptr 离开作用域时, 内存才会被释放. 原本强引用减为 0 时就可以释放的内存, 现在变为了强引用, 若引用都减为 0 时才能释放, 意外的延迟了内存释放的时间. 这对于内存要求高的场景来说, 是一个需要注意的问题

无法像shared_ptr 的构造那样添加一个deleter

3. 举例


#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
 
int main()
{
    //构建 2 个智能指针
    std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
    std::shared_ptr<int> p2(p1);
    //输出 p2 指向的数据
    cout << *p2 << endl;
    p1.reset();//引用计数减 1,p1为空指针
    if (p1) {
        cout << "p1 不为空" << endl;
    }
    else {
        cout << "p1 为空" << endl;
    }
    //以上操作，并不会影响 p2
    cout << *p2 << endl;
    //判断当前和 p2 同指向的智能指针有多少个
    cout << p2.use_count() << endl;
    return 0;
}

运行结果：