C++11 shared_ptr 與 make_shared源碼剖析詳解
0. 前言
所謂智能指針，可以從字面上理解為“智能”的指針。具體來講，智能指針和普通指針的用法是相似的，不同之處在于，智能指針可以在適當(dāng)時(shí)機(jī)自動(dòng)釋放分配的內(nèi)存。也就是說，使用智能指針可以很好地避免“忘記釋放內(nèi)存而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏”問題出現(xiàn)。由此可見，C++ 也逐漸開始支持垃圾回收機(jī)制了，盡管目前支持程度還有限。
c++11 中發(fā)布了shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr 用以資源的管理，都是定義在memory 這個(gè)頭文件中。
std::shared_ptr允許多個(gè)shared_ptr 實(shí)例指向同一個(gè)對(duì)象，通過計(jì)數(shù)管理；std::unique_ptr是獨(dú)占對(duì)象；weak_ptr是輔助類，是一種弱引用，指向shared_ptr 所管理的對(duì)象。
1. 源碼分析
1.1 頭文件
#include <memory>
1.2 構(gòu)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() { }
構(gòu)造函數(shù)比較多啊，抽一個(gè)看看源碼。
1.2.1 shared_ptr 的移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)
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 中存放一個(gè)對(duì)象的指針__ptr_ 和用以計(jì)數(shù)的__cntrl_，這兩是shared_ptr 的私有成員變量：
template<class _Tp>
class shared_ptr {
typedef _Tp element_type;
private:
element_type* __ptr_;
__shared_weak_count* __cntrl_;
...
}
另外，移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)因?yàn)橹皇莔ove，所以只是將舊的shared_ptr 轉(zhuǎn)移到新的里。
1.2.2 shared_ptr 的拷貝構(gòu)造函數(shù)
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();
}
與移動(dòng)構(gòu)造相同，shared_ptr 實(shí)例，需要從參數(shù)中獲得__ptr_ 和 __cntrl。
但是，與移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)不同的是，拷貝構(gòu)造時(shí)增加對(duì)象計(jì)數(shù)的。
下面舉例shared_ptr 通常的創(chuàng)建方式：
std::shared_ptr<int> p1; //不傳入任何實(shí)參 std::shared_ptr<int> p2(nullptr); //傳入空指針 nullptr std::shared_ptr<int> p3(new int(10)); //指定指針為參數(shù) 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 賦值重載
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 基本上是對(duì)應(yīng)構(gòu)造
1.5 獲取
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;
對(duì)于shared_ptr 的成員函數(shù)總結(jié)如下：
|
成員方法名 |
功 能 |
|
operator=() |
重載賦值號(hào)，使得同一類型的 shared_ptr 智能指針可以相互賦值。 |
|
operator*() |
重載 * 號(hào)，獲取當(dāng)前 shared_ptr 智能指針對(duì)象指向的數(shù)據(jù)。 |
|
operator->() |
重載 -> 號(hào)，當(dāng)智能指針指向的數(shù)據(jù)類型為自定義的結(jié)構(gòu)體時(shí)，通過 -> 運(yùn)算符可以獲取其內(nèi)部的指定成員。 |
|
swap() |
交換 2 個(gè)相同類型 shared_ptr 智能指針的內(nèi)容。 |
|
reset() |
當(dāng)函數(shù)沒有實(shí)參時(shí)，該函數(shù)會(huì)使當(dāng)前 shared_ptr 所指堆內(nèi)存的引用計(jì)數(shù)減 1，同時(shí)將當(dāng)前對(duì)象重置為一個(gè)空指針；當(dāng)為函數(shù)傳遞一個(gè)新申請(qǐng)的堆內(nèi)存時(shí)，則調(diào)用該函數(shù)的 shared_ptr 對(duì)象會(huì)獲得該存儲(chǔ)空間的所有權(quán)，并且引用計(jì)數(shù)的初始值為 1。 |
|
get() |
獲得 shared_ptr 對(duì)象內(nèi)部包含的普通指針。 |
|
use_count() |
返回同當(dāng)前 shared_ptr 對(duì)象（包括它）指向相同的所有 shared_ptr 對(duì)象的數(shù)量。 |
|
unique() |
判斷當(dāng)前 shared_ptr 對(duì)象指向的堆內(nèi)存，是否不再有其它 shared_ptr 對(duì)象再指向它。 |
|
operator bool() |
判斷當(dāng)前 shared_ptr 對(duì)象是否為空智能指針，如果是空指針，返回 false；反之，返回 true。 |
除了上面的成員函數(shù)外，C++11 標(biāo)準(zhǔn)還支持同一類型的 shared_ptr 對(duì)象，或者 shared_ptr 和 nullptr 之間，進(jìn)行 ==，!=，，>= 運(yùn)算。
注意：
- shared_ptr用以共享一個(gè)對(duì)象的所有權(quán)，通過計(jì)數(shù)確認(rèn)自動(dòng)回收；
- shared_ptr 共享的對(duì)象所有權(quán)，通過存儲(chǔ)對(duì)象的指針，并通過get() 獲取存儲(chǔ)的對(duì)象的指針；
- 可能在多個(gè)線程中同時(shí)用不同的shared_ptr實(shí)例，而這些實(shí)例可能指向同一個(gè)對(duì)象。多線程在沒有同步的情況訪問同一個(gè)shared_ptr 實(shí)例，并調(diào)用其non-const 成員函數(shù)時(shí)，有可能存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。可以使用std::atomic* 函數(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)；
2. make_shared
template<class T, class... Args>
shared_ptr<T> make_shared(Args&&... args);
c++11 中針對(duì)shared_ptr 還提供了make_shared 這個(gè)外部函數(shù)，用以創(chuàng)建一個(gè)shared_ptr 實(shí)例。
c++ 建議盡可能使用make_shared 創(chuàng)建shared_ptr 實(shí)例。
下面來說明下make_shared 的優(yōu)缺點(diǎn)。
2.1 make_shared 優(yōu)點(diǎn)
2.1.1 效率高
shared_ptr 需要維護(hù)引用計(jì)數(shù)的信息：
- 強(qiáng)引用, 用來記錄當(dāng)前有多少個(gè)存活的 shared_ptrs 正持有該對(duì)象. 共享的對(duì)象會(huì)在最后一個(gè)強(qiáng)引用離開的時(shí)候銷毀( 也可能釋放).
- 弱引用, 用來記錄當(dāng)前有多少個(gè)正在觀察該對(duì)象的 weak_ptrs. 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(huì)被銷毀和釋放 (共享的對(duì)象也會(huì)被釋放, 如果還沒有釋放的話).
如果你通過使用原始的 new 表達(dá)式分配對(duì)象, 然后傳遞給 shared_ptr (也就是使用 shared_ptr 的構(gòu)造函數(shù)) 的話, shared_ptr 的實(shí)現(xiàn)沒有辦法選擇, 而只能單獨(dú)的分配控制塊：
auto p = new widget();
shared_ptr sp1{ p }, sp2{ sp1 };
如果選擇使用 make_shared 的話, 情況就會(huì)變成下面這樣:
auto sp1 = make_shared(), sp2{ sp1 };
內(nèi)存分配的動(dòng)作, 可以一次性完成. 這減少了內(nèi)存分配的次數(shù), 而內(nèi)存分配是代價(jià)很高的操作。
2.1.2 異常安全
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:
- new Lhs(“foo”))
- new Rhs(“bar”))
- std::shared_ptr
- std::shared_ptr
好了, 現(xiàn)在我們假設(shè)在第 2 步的時(shí)候, 拋出了一個(gè)異常 (比如 out of memory, 總之, Rhs 的構(gòu)造函數(shù)異常了), 那么第一步申請(qǐng)的 Lhs 對(duì)象內(nèi)存泄露了. 這個(gè)問題的核心在于, shared_ptr 沒有立即獲得裸指針
我們可以用如下方式來修復(fù)這個(gè)問題.
auto lhs = std::shared_ptr<Lhs>(new Lhs("foo"));
auto rhs = std::shared_ptr<Rhs>(new Rhs("bar"));
F(lhs, rhs);
當(dāng)然, 推薦的做法是使用 std::make_shared 來代替：
F(std::make_shared<Lhs>("foo"), std::make_shared<Rhs>("bar"));
2.2 make_shared缺點(diǎn)
構(gòu)造函數(shù)是保護(hù)或私有時(shí),無法使用 make_shared
make_shared 雖好, 但也存在一些問題, 比如, 當(dāng)我想要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象沒有公有的構(gòu)造函數(shù)時(shí), make_shared 就無法使用了, 當(dāng)然我們可以使用一些小技巧來解決這個(gè)問題, 比如這里 How do I call ::std::make_shared on a class with only protected or private constructors?
對(duì)象的內(nèi)存可能無法及時(shí)回收
make_shared 只分配一次內(nèi)存, 這看起來很好. 減少了內(nèi)存分配的開銷. 問題來了, weak_ptr 會(huì)保持控制塊(強(qiáng)引用, 以及弱引用的信息)的生命周期, 而因此連帶著保持了對(duì)象分配的內(nèi)存, 只有最后一個(gè) weak_ptr 離開作用域時(shí), 內(nèi)存才會(huì)被釋放. 原本強(qiáng)引用減為 0 時(shí)就可以釋放的內(nèi)存, 現(xiàn)在變?yōu)榱藦?qiáng)引用, 若引用都減為 0 時(shí)才能釋放, 意外的延遲了內(nèi)存釋放的時(shí)間. 這對(duì)于內(nèi)存要求高的場(chǎng)景來說, 是一個(gè)需要注意的問題
無法像shared_ptr 的構(gòu)造那樣添加一個(gè)deleter
3. 舉例
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
//構(gòu)建 2 個(gè)智能指針
std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
std::shared_ptr<int> p2(p1);
//輸出 p2 指向的數(shù)據(jù)
cout << *p2 << endl;
p1.reset();//引用計(jì)數(shù)減 1,p1為空指針
if (p1) {
cout << "p1 不為空" << endl;
}
else {
cout << "p1 為空" << endl;
}
//以上操作，并不會(huì)影響 p2
cout << *p2 << endl;
//判斷當(dāng)前和 p2 同指向的智能指針有多少個(gè)
cout << p2.use_count() << endl;
return 0;
}
運(yùn)行結(jié)果：
10
p1 為空
10
1
參考：
C++11 std::shared_ptr總結(jié)與使用示例代碼詳解
總結(jié)
本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！
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