C++智能指针的底层实现原理

科技绿洲 2023-11-09 743

描述

C++智能指针的头文件：

#include

1. shared_ptr：

智能指针从本质上来说是一个模板类，用类实现对指针对象的管理。

template
class shared_ptr;

template
shared_ptr(Y* ptr, Deleter d);

template
shared_ptr(Y* ptr, Deleter d, Alloc alloc);

shared_ptr能解决的问题：

忘记释放资源导致的内存泄漏；
多个指针指向同一资源时可能产生的悬垂指针；
（待补充）。。。

1.1 从避免出现悬垂指针引出shared_ptr的实现原理：

先来看一个普通指针可能出现的悬垂问题：

当有多个指针指向同一个基础对象时，如果某个指针delete了该基础对象，对于其他指针来说，它们是无法感知的，此时则出现了悬垂指针，如果再对其他指针进行操作，则可能会导致core dump。

（core dump的原因：因为已经调用了delete，相当于已经将内存资源归还给了系统，如果有其他地方向系统申请资源时，系统则重新分配这块内存。此时有两种情况：① 原始的悬垂指针调用delete，系统检测到二次释放，直接core dump；② 原始的悬垂指针对指针地址上的内存进行读、写操作，可能意外的改写了其他程序的内容，即“踩内存”，导致发生意想不到的情况。）

int* ptr1 = new int(42);
int* ptr2 = ptr1;
int* ptr3 = ptr1;

cout << *ptr1 << endl;
cout << *ptr2 << endl;
cout << *ptr3 << endl; //没有问题，三个指针指向同一块内存地址

delete ptr1; //通过ptr1释放了内存资源，ptr2和ptr3成为悬垂指针

//...

cout << *ptr2 << endl; //可能没问题，可能有问题

普通指针出现悬垂的根本原因在于：当多个指针同时指向同一个内存资源时，如果通过其中的某一个指针delete释放了资源，其他指针无法感知到。

解决方法自然想到了“引用计数” ---- 通过一块额外的内存，实现对原始内存的管理。

在这块 “控制块” 内存中，保存当前对原始内存资源的引用计数。

普通指针多指针场景下出现悬垂指针的原因：

C++

引入“控制块”，保存对于基础对象的“引用计数”，示例中有ptr1、ptr2、ptr3三个指针同时指向同一基础对象，因此对应这个基础对象的引用计数为 3：

C++

当有某个指针退出作用域，或调用了delete释放资源时，系统并非真正的释放基础对象，而是对引用计数减一。

那么何时才可以删除基础对象呢？当只有一个指针指向基础对象的时候，就可以大大方方的通过该指针将基础对象删除（真正的调用delete释放基础对象的资源）。

C++

对于“控制块”的实现方式：

C++

对“控制块”中“引用计数”的管理：

1、构造函数：

当创建类的新对象时，初始化指针，并将引用计数设置为 1；

2、拷贝构造函数：

当对象作为另一个对象的副本时（即发生“拷贝构造”时），拷贝构造函数拷贝副本指针，并对引用计数加1；

3、拷贝赋值运算符：

当使用“拷贝赋值运算符”（=）时，处理复杂一点：

a. 先使“左操作数”的指针的引用计数减1 （为何减一：因为该指针已经指向别的地方，则指向原基础对象的指针个数减1），如果减1后引用计数降为0，则释放指针所指对象的内存资源；

b. 然后增加“右操作数”所指对象的引用计数（为何加一：因为此时左操作数转而指向此基础对象，则指向此基础对象的指针个数加1）；

4、析构函数：

调用析构函数时，析构函数先使引用计数减1，如果减至0则delete释放对象。

shared_ptr类的“构造函数”使得基础对象的引用计数递增，shared_ptr类的“析构函数”使得基础对象的引用计数递减。

当最后一个指向基础对象的shared_ptr被析构时，会调用delete释放基础对象的内存资源。

1.2 make_shared：

注意 make_shared 是函数模板，不是类模板，make_shared函数模板的返回值类型是 shared_ptr。

template
shared_ptr make_shared(); //make_shared()模板函数，返回一个shared_ptr 类型的返回值

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的优点：

效率更高；
异常安全。

make_shared的缺点：

构造函数是保护或私有时，无法使用make_shared；
对象内存可能无法及时回收。

1.2.1 优点：效率更高：

假设原始对象类型为 widget，shared_ptr的“控制块”中需要维护的关于“引用计数”的信息包括：

强引用：用来计数当前有多少存活的shared_ptr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释放；
弱引用：用来记录当前有多少个正在观察该对象的weak_ptr，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释放。

如果通过原始的new表达式分配对象，然后传递给shared_ptr（即使用shared_ptr内部的构造函数），则“控制块内存”与“基础对象内存”是分离开的，如图所示：

此时是两个分配内存的动作，所以控制块与基础对象的内存是分离的（可能造成内存碎片）。控制块的内存是在shared_ptr的构造函数中分配的。

auto p = new widget(); //先使用new表达式分配一个widget类型的对象

shared_ptr sp1(p); //用p去初始化sp1，此时引用计数为1
shared_ptr sp2(sp1); //用sp1去拷贝初始化sp2，此时引用计数为2

C++

如果使用 make_shared 的方式，则只需要一次分配内存，分配出的内存结构如图所示：

auto sp1 = make_shared();
auto sp2(sp1);

C++

1.2.2 优点：异常安全：

可能会出现异常的情况：

//函数F的定义：
void F(shared_ptr& lhs, shared_ptr& rhs) { ... }

//调用F函数：
F(shared_ptr(new Lhs("foo")), shared_ptr(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：

1. new Lhs("foo")
2. new Rhs("bar")
3. shared_ptr
4. shared_ptr

此时，如果程序在第2步时抛出一个异常（比如out of memory等，Rhs的构造函数异常的），那么在第1步中new分配的Lhs对象内存将无法释放，导致内存泄漏。

这个问题的核心在于 shared_ptr 没有立即获得new分配出来的裸指针，shared_ptr与new结合使用时是要分成两步。

修复这个问题的方式有两种：

（1）不要将new操作放到函数形参初始化中，这样将无法保证求值顺序：

//解决方法是先保证两个new分配内存都没有错误，并在new之后立即初始化shared_ptr：
auto lhs = shared_ptr(new Lhs("foo"));
auto rhs = shared_ptr(new Rhs("bar"));
F(lhs, rhs);

（2）更推荐的方法，是使用make_shared，一步到位：

F(make_shared("foo"), make_shared("bar"))

1.2.3 缺点：构造函数是保护或私有时无法使用：

当我们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。

1.2.4 对象内存可能无法及时回收：

make_shared的优点是只需申请一次内存，带来了性能上的提升。但这一性能同样也给make_shared带来了缺点：

智能指针的“控制块”中保存着两类关于“引用计数”的信息：

强引用；（strong refs）
弱引用。（weak refs）

“弱引用计数”用来保存当前正在指向此基础对象的weak_ptr指针的个数，weak_ptr会保持控制块的生命周期，因此有一种特殊情况是：强引用的引用计数已经降为0，没有shared_ptr再持有基础对象，然而由于仍有weak_ptr指向基础对象，弱引用的引用计数非0，原本因为强引用计数已经归0就可以释放的基础对象内存，现在变成了“强引用、弱引用都减为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。

（一般情况下，程序中无需考虑这种微小的差别。）

1.3 shared_ptr实现说明：

摘自cppreference：

在典型的实现中，shared_ptr 只保有两个指针：

get()所返回的指针；（基础对象的内存地址）
指向控制块的指针。（控制块对象的内存地址）

控制块是一个动态分配的对象，其中包含：

指向被管理对象的指针或被管理对象本身；（基础对象的内存地址）
删除器；（Deleter，类型擦除）
分配器；（Allocator，类型擦除）
占用被管理对象的shared_ptr的数量（strong refs强引用的引用计数）；
涉及被管理对象的weak_ptr的数量（weak refs弱引用的引用计数）。

1.4 shared_ptr的线程安全性：

多线程环境下，调用不同shared_ptr实例的成员函数是不需要额外的同步手段的（例如use_count()等成员函数），即使这些shared_ptr拥有的是同样的对象。

但是，如果多线程访问（有写操作）同一个shared_ptr，则需要线程同步，否则就会有race condition发生。

shared_ptr的引用计数本身是安全且无锁的，但shared_ptr中封装的基础对象的读写则不是。

出现这种情况的原因是：shared_ptr有两个数据成员（指向被管理对象的指针，和指向控制块的指针），读写操作不能原子化。

1.5 shared_from_this：

1.5.1 多个shared_ptr管理同一指针时的重复释放问题：

在使用shared_ptr管理指针时，有一个原则就是要尽量避免“先new、后用裸指针初始化shared_ptr” 的方式，这是因为当有两个或多个shared_ptr同时管理一个指针时，多个shared_ptr之间无法共享彼此的引用计数，导致可能造成double free。

异常场景示例：（两个shared_ptr共同管理同一个裸指针）

int main() {
int *ptr = new int(42);

shared_ptr sp1(ptr);
shared_ptr sp2(ptr);

cout << sp1.use_count() << endl;
cout << sp2.use_count() << endl;
//sp1记录的引用计数是1，sp2记录的引用计数也是1，
//此时有两个智能指针sp1和sp2同时管理ptr，相当于有两个独立的控制块

return 0;
//此时退出作用域，sp1、sp2会分别调用delete去释放基础对象*ptr，
//重复释放，导致程序段错误
}

由此引出一个使用shared_ptr的原则：

当我们使用智能指针管理资源时，必须统一使用智能指针，而不能在某些地方使用智能指针，某些地方使用raw pointer，否则不能保持智能指针管理这个类对象的语义，从而产生各种错误。

给shared_ptr管理的资源必须在分配时立即交给shared_ptr，即：shared_ptr sp(new T());，而不是先new出ptr，再在后面的某个地方将ptr赋给shared_ptr。

1.5.1 shared_from_this的使用场景：

上述的情况同样可能会发生在 this指针上面。

当一个类被shared_ptr管理（当使用shared_ptr管理类对象时，实际上是管理的类对象的 *this指针），且在类的成员函数中需要把当前类对象作为参数传递给其他函数时，就需要返回当前对象的this指针，但是，直接传递this指针（相当于裸指针）到类外，有可能会被多个shared_ptr所管理，造成与上面一样的二次释放的异常错误。

错误示例：

//C是一个可以返回类对象this指针的类：
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; } //一个返回*this指针的成员函数

private:
int a;
};

int main() {
shared_ptr sp1(new C(42)); //构造一个C类对象，并由shared_ptr对此对象资源进行管理

shared_ptr sp2(sp1->object_ptr());
//在某种场景下返回类对象的this指针给其他函数，我们的本意是在原有C类对象的基础上累加引用计数
cout << sp1.use_count() << ", " << sp2.use_count() << endl;
//sp1、sp2的引用计数都是 1

return 0;
//在退出程序前sp1、sp2的引用计数都降为0，会分别调用delete去释放C类对象，导致重复释放，段错误
}

出现上述异常的原因很简单，类的成员函数将对象的this指针返回出去，this是一个普通指针，交给智能指针sp2管理，而sp2根本感知不到这个裸指针已经被其他智能指针sp1给管理起来了。

使用shared_ptr直接管理this指针导致“重复释放”的原因在于：

使用智能指针管理“类对象”的本质是管理类对象的 this 指针；
this指针与其他的普通裸指针并无区别，当多个shared_ptr同时管理同一个this指针时，相互之间无法感知。

C++11 引入shared_from_this，使用方式如下：

继承 enable_shared_from_this 类；
调用 shared_from_this() 成员函数先将this指针封装进一个shared_ptr，再将shared_ptr返回到类外供其他人使用。

使用shared_from_this 改写上面的错误示例：

//首先，继承enable_shared_from_this模板类：
//注意继承模板类时需要先将类模板实例化，否则编译器无法知道具体的数据类型
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; } //一个返回*this指针的成员函数
//在需要返回类对象this指针的地方，调用shared_from_this成员函数先将this封装成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;
}

------
运行结果：

constructor
sp1.use_count : 1
sp2.use_count : 2
destructor

shared_from_this的使用公式为：

class A : public enable_shared_from_this {
public:
shared_ptr object_ptr() {
return shared_from_this();
}
};

上面的例子中，虽然在类成员函数 object_ptr() 中先将this指针封装成了一个shared_ptr，但是this指针的引用计数并没有因此而比正常时多1，这涉及到shared_from_this的实现原理。