智能指针shared_ptr之引用计数

本文深入剖析了C++智能指针shared_ptr的内部实现,特别是其引用计数机制。通过分析源码,展示了shared_ptr如何通过引用计数和原子操作确保对象的正确管理,包括构造、拷贝、赋值及析构过程。同时,文章揭示了shared_ptr与weak_ptr的关系以及在内存释放时的细节。

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        上篇文章 🔗智能指针unique_ptr 介绍了 unique_ptr,而 shared_ptrunique_ptr 的主要不同之处在于可以有多个 shared_ptr 管理同一个对象,这点是通过拷贝构造函数以及引用计数机制来实现的。

shared_ptr(const std::__1::shared_ptr<_Tp> &);
shared_ptr(std::__1::shared_ptr<_Tp> &&);
std::__1::shared_ptr<_Tp> & operator=(const std::__1::shared_ptr<_Tp> &);
std::__1::shared_ptr<_Tp> & operator=(std::__1::shared_ptr<_Tp> &&);

        可以看到构造函数不仅支持右值传参,也支持左值。至于引用计数,应该是有个数据成员来记录引用个数。先看下 shared_ptr 定义:

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

        只有两个数据成员,其中 __ptr_ 看着是指向原生指针的,那另一个大概率就保存引用计数相关信息了,但是是 __shared_weak_count 类型,其实它也是一个类:

class _LIBCPP_TYPE_VIS __shared_weak_count
    : private __shared_count
{
    long __shared_weak_owners_;

public:
    _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
    explicit __shared_weak_count(long __refs = 0) _NOEXCEPT
        : __shared_count(__refs),
          __shared_weak_owners_(__refs) {}
    ...
}

        它自身只有一个数据成员 __shared_weak_owners_,但从名称可看出是与智能指针 weak_ptr 对应的,但是它还私有继承类 __shared_count

class _LIBCPP_TYPE_VIS __shared_count
{
    ...
protected:
    long __shared_owners_;
    ...

public:
    _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
    explicit __shared_count(long __refs = 0) _NOEXCEPT
        : __shared_owners_(__refs) {}
    ...
}

        它的数据成员 __shared_owners_ 就是我们要寻找的记录引用计数用的,但是它的初始值是 0,而当调用 use_count() 方法是返回的是1,且看调用链:

// shared_ptr
long use_count() const _NOEXCEPT {
    return __cntrl_ ? __cntrl_->use_count() : 0;
}
// __shared_weak_count
long use_count() const _NOEXCEPT {
    return __shared_count::use_count();
}
// __shared_count
long use_count() const _NOEXCEPT {
    return __libcpp_relaxed_load(&__shared_owners_) + 1;
}

        到此就清楚了,返回的引用数是在程序中做了加1的处理,至于为什么这么做,目前还没想到什么合理的解释,哪位小伙伴清楚的话还请指点下哈!

        那又是如何影响引用计数的呢?譬如下面这段代码:

{
    shared_ptr<A> s (new A(5));
    cout << "s count:" << s.use_count() << endl;
    shared_ptr<A> t(s);
    cout << "t count:" << t.use_count() << endl;
    s.reset();
    cout << "t count:" << t.use_count() << endl;
}

        运行后输出结果如下:

s count:1
t count:2
t count:1

        这里得看下 shared_ptr 的拷贝构造函数的实现了:

// shared_ptr
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();
}
// __shared_weak_count
void __add_shared() _NOEXCEPT {
  __shared_count::__add_shared();
}

// __shared_count
void __add_shared() _NOEXCEPT {
  __libcpp_atomic_refcount_increment(__shared_owners_);
}

        一路跟下来最终还是调用的类 __shared_count 中的 __add_shared() 方法,注意这里用到了 __libcpp_atomic_refcount_increment() 方法,是为了保证计数的原子性。再看看 reset() 又是如何释放并让当前计数减1的。

template<class _Tp>
inline
void
shared_ptr<_Tp>::reset() _NOEXCEPT
{
    shared_ptr().swap(*this);
}

        先是调用构造函数 shared_ptr() 生成了一个匿名的空 shared_ptr 指针,然后调用 swap() 方法和当前对象交换,也就是智能指针 s

swap(_Tp& __x, _Tp& __y) _NOEXCEPT_(is_nothrow_move_constructible<_Tp>::value &&
                                    is_nothrow_move_assignable<_Tp>::value)
{
    _Tp __t(_VSTD::move(__x));
    __x = _VSTD::move(__y);
    __y = _VSTD::move(__t);
}

        这里的交换并不是简单的赋值交换,而是引入了移动语义,使得刚才生成的匿名 shared_ptr 指针变成要释放的智能指针 s。当交换完退出 reset() 方法代码块时,就自动执行析构函数:

// shared_ptr
template<class _Tp>
shared_ptr<_Tp>::~shared_ptr()
{
    if (__cntrl_)
        __cntrl_->__release_shared();
}
// __shared_weak_count
void __release_shared() _NOEXCEPT {
    if (__shared_count::__release_shared())
        __release_weak();
}
// __shared_count
bool __release_shared() _NOEXCEPT {
    if (__libcpp_atomic_refcount_decrement(__shared_owners_) == -1) {
        __on_zero_shared();
        return true;
    }
    return false;
}

        最终也是调用了类 __shared_count 中的 __release_shared() 方法对其进行原子减1,但相比加1时多了个判断,即没有任何 shared_ptr 指针指向该对象时,还要调用 __on_zero_shared() 方法。

// __shared_ptr_pointer
template <class _Tp, class _Dp, class _Alloc>
void
__shared_ptr_pointer<_Tp, _Dp, _Alloc>::__on_zero_shared() _NOEXCEPT
{
    __data_.first().second()(__data_.first().first());
    __data_.first().second().~_Dp();
}

        该方法是类 __shared_ptr_pointer 的成员函数,似乎有点突然,但如果看看 shared_ptr 的构造函数如何实现的就知道了。

template<class _Tp>
template<class _Yp>
shared_ptr<_Tp>::shared_ptr(_Yp* __p,
                            typename enable_if<__compatible_with<_Yp, element_type>::value, __nat>::type)
    : __ptr_(__p)
{
    unique_ptr<_Yp> __hold(__p);
    typedef typename __shared_ptr_default_allocator<_Yp>::type _AllocT;
    typedef __shared_ptr_pointer<_Yp*, __shared_ptr_default_delete<_Tp, _Yp>, _AllocT > _CntrlBlk;
    __cntrl_ = new _CntrlBlk(__p, __shared_ptr_default_delete<_Tp, _Yp>(), _AllocT());
    __hold.release();
    __enable_weak_this(__p, __p);
}

        __cntrl_ 其实就是个 __shared_ptr_pointer 类对象,而这个类又继承自 __shared_weak_count

template <class _Tp, class _Dp, class _Alloc>
class __shared_ptr_pointer
    : public __shared_weak_count
{
    __compressed_pair<__compressed_pair<_Tp, _Dp>, _Alloc> __data_;
public:
    _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
    __shared_ptr_pointer(_Tp __p, _Dp __d, _Alloc __a)
        :  __data_(__compressed_pair<_Tp, _Dp>(__p, _VSTD::move(__d)), _VSTD::move(__a)) {}
    ...
};

        但类 __shared_weak_count 是个抽象类,因为它有个纯虚成员函数:

private:
    virtual void __on_zero_shared_weak() _NOEXCEPT = 0;

        所以实际上是类 __shared_ptr_pointer 管理着 shared_ptr 内存的分配与销毁。

        至此关于 shared_ptr 的引用计数部分就介绍差不多了。通篇下来,感觉更多还是记述,只能说知道个大概,但还缺少些自己的理解,希望以后有机会再深入领会这块吧。

### C++ `shared_ptr` 循环引用解决方案 #### 使用 `weak_ptr` 为了有效解决 `shared_ptr` 导致的循环引用问题,推荐使用 `std::weak_ptr`。作为一种非拥有型指针,`std::weak_ptr` 不会增加引用计数,因此能够避免因相互持有对方而导致无法释放的情况发生[^1]。 当两个或更多对象通过 `shared_ptr` 形成互相持有的关系时,它们之间的引用计数永远不会降为零,这就会造成内存泄漏。引入 `weak_ptr` 后,在某些情况下可以只保持弱引用而不需要实际控制对象的生命期,从而打破了这种恶性循环。 具体来说: - **创建弱指针**:可以从现有的 `shared_ptr` 创建一个新的 `weak_ptr` 实例。 ```cpp std::shared_ptr<Node> nodeA(new Node()); std::weak_ptr<Node> weakNode(nodeA); ``` - **检测有效性并获取强指针**:在真正需要访问目标对象的时候,可以通过调用 `lock()` 函数尝试将其转换回 `shared_ptr` 来确认对象是否依然存在。如果原对象已经被销毁,则 `lock()` 返回的是一个空的 `shared_ptr`。 ```cpp auto lockedPtr = weakNode.lock(); // 获取临时的 shared_ptr if (lockedPtr) { // 对象还活着... } else { // 对象已死掉... } ``` 此外,还可以利用 `expired()` 成员函数快速判断当前 `weak_ptr` 所关联的对象是否已被删除而不必每次都执行开销较大的 `lock()` 操作[^2]。 对于双向链表或其他可能存在自引用结构的数据类型而言,通常建议将其中至少一侧的关系定义为 `weak_ptr` 类型,以此来预防潜在的风险。 #### 示例代码展示 下面给出一段简单的例子说明如何运用上述原理处理可能出现的循环依赖情形: ```cpp #include <iostream> #include <memory> class B; class A { public: ~A() { std::cout << "Destroying A\n"; } private: std::weak_ptr<B> b_; // 弱引用B friend void setBA(A&, const std::shared_ptr<B>&); }; void setBA(A& a, const std::shared_ptr<B>& sptr){ a.b_ = sptr; } class B { public: ~B() { std::cout << "Destroying B\n"; } private: std::shared_ptr<A> a_; friend void setAB(B&, const std::shared_ptr<A>&); }; void setAB(B& b, const std::shared_ptr<A>& sptr){ b.a_ = sptr; } int main(){ { auto pa = std::make_shared<A>(); auto pb = std::make_shared<B>(); setBA(*pa,pb); setAB(*pb,pa); // 此处不会形成循环引用 } return 0; } ``` 在这个案例里,类 `A` 中保存了一个指向另一个实例 (`B`) 的弱引用而非强引用,有效地阻止了两者之间建立永久性的连接,进而解决了可能引发的问题。
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