C++对象声明周期问题记录

背景

当程序中创建了多个对象并且是多个类型的对象时，需要理解这些对象的生命周期(构造和析构)是什么关系至关重要

基本原则

按照构造顺序，逆序的析构；可以类比与栈的操作，先入栈的后出栈；thread_local对象跟随所属线程第一次执行到构造，线程结束后析构
对象类型：全局对象，静态全局对象，局部对象，静态局部对象，类成员对象，thread_local对象

#include <thread>
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <ctime>
#include <memory>
#include <vector>

class A {
    public:
    A() { std::cout << "A()" << std::endl;}
    ~A() { std::cout << "~A()" << std::endl;}
};

class B {
    public:
    static B& instance() {
        static B b; // 局部静态对象
        return b;
    }
    B() { std::cout << "B()" << std::endl;}
    ~B() { std::cout << "~B()" << std::endl;}
};
class C {
    public:
    C() {
        a_ = std::make_shared<A>();
        B::instance();
        std::cout << "C()" << std::endl;
    }
    ~C() { std::cout << "~C()" << std::endl;}
    std::shared_ptr<A> a_; // 类成员对象
};

class D {
    public:
    D() { std::cout << "D()" << std::endl;}
    ~D() { std::cout << "~D()" << std::endl;}
};

class E {
    public:
    E() { std::cout << "E()" << std::endl;}
    ~E() { std::cout << "~E()" << std::endl;}
};

class F {
    public:
    F() { std::cout << "F()" << this << std::endl;}
    ~F() { std::cout << "~F()" << this << std::endl;}
};


void f() {
    thread_local F f; // thread_local对象
}

D d; // 全局对象
static E e; //静态全局对象
int main() {
    std::cout << "main begin" << std::endl;
    C c; // 局部对象
    bool running1 = true;
    std::thread t1([&running1](){
        std::cout << "t1 is running" << std::endl;
        {
            f();
            f();
        }
        while(running1){}
        std::cout << "t1 is dead" << std::endl;
    });
    bool running2 = true;
    std::thread t2([&running2](){
        std::cout << "t2 is running" << std::endl;
        {
            f();
            f();
        }
        while(running2){}
        std::cout << "t2 is dead" << std::endl;
    });
    running1 = false;
    running2 = false;
    if(t1.joinable()) {
        t1.join();
    }
    if(t2.joinable()) {
        t2.join();
    }
    std::cout << "main end" << std::endl;
}

输出

D()
E()
main begin
A()
B()
C()
t2 is running
F()0x7215905fe630
t2 is dead
~F()0x7215905fe630
t1 is running
F()0x721590dff630
t1 is dead
~F()0x721590dff630
main end
~C()
~A()
~B()
~E()
~D()

案例(程序退出时崩溃)

现象

在一个类的成员方法中，将this通过lamda函数注册给一个异步回调；然后回调执行的时候this被析构

代码示例

比如如下这个代码

#include <iostream>
#include <memory>
#include <functional>
#include <thread>

bool block = true;

class Base{
    public:
    virtual void func() = 0;
};
class Derived : public Base {
    public:
    Derived() {
        p = new int(1);
    }
    ~Derived() { 
        std::cout << "~Derived" << std::endl;
        delete p;
        p = nullptr;
    }
    void func() {
        std::cout << "call func, *p:" << *p << std::endl; // 如果p是空指针那么就会crash
    }
    
    int* p;
};

class MyClass {
public:
    void doAsyncWork() {
        // 创建一个weak_ptr来捕获this指针

        // 注册一个lambda作为异步回调
        std::function<void()> callback = [this]() {
            while(block){}
            doWork();
        };

        // 模拟异步操作（比如另外一个线程执行回调）
        std::thread(callback).detach();
    }

    // 为了演示目的，定义一个成员函数
    void doWork() {
        std::cout << "Doing some work" << std::endl;
        d.func();
    }
    ~MyClass() { std::cout << "~MyClass" << std::endl;}
    Derived d;
};

int main() {
    // 创建一个MyClass实例的shared_ptr
    {
    std::shared_ptr<MyClass> instance = std::make_shared<MyClass>();

    // 调用doAsyncWork注册异步回调
    instance->doAsyncWork();
    }
    block = false; // 原来的这个对象析构后，异步回调再执行
    // 等待足够的时间让异步回调完成，避免main函数立刻退出
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    return 0;
}

我们MyClass的成员函数doAsyncWork中注册了一个异步回调callback，这个callback中当解除block时会调用MyClass成员对象d的func函数；
上述当MyClass析构时，然后异步回调再被执行，那么访问成员对象d已经析构，这里会产生未定义行为，为了凸显这未定义行为，我们在对象d的func函数中访问一个指针(析构时会设置为nullptr)，这时将会直接crash。

原因

在异步回调中访问了已经析构的对象。

解决办法

异步回调中的lambda函数捕获的只是this指针，这个对象生命周期不可控了；需要想办法将这个对象的声明周期延长到这个异步回调里；
这个是时候大名鼎鼎的enable_shared_from_this就来了，在成员函数中通过shared_from_this()返回一个智能指针，用来判断和延长对象的生命周期

改动如下，让MyClass继承enable_shared_from_this，然后通过shared_from_this+弱指针进行判断和延长MyClass对象的生命周期

class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
public:
    void doAsyncWork() {
        // 创建一个weak_ptr来捕获this指针
        std::weak_ptr<MyClass> weak_self = shared_from_this();

        // 注册一个lambda作为异步回调
        std::function<void()> callback = [weak_self]() {
          	while(block){}
            // 在callback中，尝试从weak_ptr升级到shared_ptr
            std::shared_ptr<MyClass> self = weak_self.lock();
            if (self) {
                // 如果self不为nullptr，说明原始对象还活着，可以安全调用
                self->doWork();
            } else {
                // 原始对象已经销毁
                std::cout << "Object was destroyed, cannot call member function." << std::endl;
            }
        };

        // 模拟异步操作（比如另外一个线程执行回调）
        std::thread(callback).detach();
    }

    // 为了演示目的，定义一个成员函数
    void doWork() {
        std::cout << "Doing some work" << std::endl;
        d.func();
    }
    ~MyClass() { std::cout << "~MyClass" << std::endl;}
    Derived d;
};

请注意，在实际应用中，根据异步操作的具体情况和库的选择，注册异步回调的方式可能有所不同，但基本思路是相同的——使用 std::weak_ptr 以防止循环引用并在回调中检查对象是否仍然存在。

一些coredump堆栈

#0  0x00007f0445877438 in __GI_raise (sig=sig@entry=6) at ../sysdeps/unix/sysv/linux/raise.c:54
#1  0x00007f044587903a in __GI_abort () at abort.c:89
#2  0x00007f04461bb84d in __gnu_cxx::__verbose_terminate_handler() () from /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
#3  0x00007f04461b96b6 in ?? () from /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
#4  0x00007f04461b9701 in std::terminate() () from /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
#5  0x00007f04461ba23f in __cxa_pure_virtual () from /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6

当看到__cxa_pure_virtual这个堆栈时，如果这个类的纯虚函数已经被实现了，那么大概率是这个对象已经损坏了(析构也算，它的虚函数表已经损坏了)。
或者直接访问了空指针