shared_ptr的一些尴尬

shared_ptr在boost库中已经有多年了，C++11又为其正名，把他引入了STL库，放到了std的下面，可见其颇有用武之地；但是shared_ptr是万能的吗？有没有什么样的问题呢？本文并不说明shared_ptr的设计原理，也不是为了说明如何使用，只说一下在使用过程中的几点注意事项。

智能指针是万能良药？

智能指针为解决资源泄漏，编写异常安全代码提供了一种解决方案，那么他是万能的良药吗？使用智能指针，就不会再有资源泄漏了吗？来看下面的代码：

//header file
void func( shared_ptr ptr1, shared ptr ptr2 );
 
//call func like this
func( shared_ptr( new T1() ), shared_ptr( new T2() ) );

上面的函数调用，看起来是安全的，但在现实世界中，其实不然：由于C++并未定义一个表达式的求值顺序，因此上述函数调用除了func在最后得到调用之外是可以确定，其他的执行序列则很可能被拆分成如下步骤：

a.    分配内存给T1

b.   构造T1对象

c.    分配内存给T2

d.   构造T2对象

e.    构造T1的智能指针对象

f.     构造T2的智能指针对象

g.   调用func

 

或者：

a’. 分配内存给T1

b’. 分配内存给T2

c’. 构造T1对象

d’. 构造T2对象

e’. 构造T1的智能指针对象

f’. 构造T2的智能指针对象

g’. 调用func

上述无论哪种形式的构造序列，如果在c或者d / c’或者d’失败，则T1对象所分配内存必然泄漏。

为解决这个问题，有一个依然使用智能智能的笨重办法：

template
shared_ptr shared_ptr_new()
{
    return shared_ptr( new T );
}
 
//call like this
func( shared_ptr_new(), shared_ptr_new() );

使用这种方法，可以解决因为产生异常导致资源泄漏的问题；然而另外一个问题出现了，如果T1或者T2的构造函数需要提供参数怎么办呢？难道提供很多个重载版本？——可以倒是可以，只要你不嫌累，而且有足够的先见性。

其实，最最完美的方案，其实是最简单的——就是尽量简单的书写代码，像这样：

//header file
void func( shared_ptr ptr1, shared_ptr ptr2 );
 
//call func like this
shared_ptr ptr1( new T1() );
shared_ptr ptr2( new T2() );
func(ptr1, ptr2  );

这样简简单单的代码，避免了异常导致的泄漏。又应了那句话：简单就是美。其实，在一个表达式中，分配多个资源，或者需要求多个值等操作都是不安全的。

归总一句话：抛弃临时对象，让所有的智能指针都有名字，就可以避免此类问题的发生。

 

shared_ptr 交叉引用导致的泄漏

是否让每个智能指针都有了名字，就不会再有内存泄漏？不一定。看看下面代码的输出，是否感到惊讶？

class CLeader;
class CMember;
 
class CLeader
{
public:
      CLeader() { cout << "CLeader::CLeader()" << endl; }
      ~CLeader() { cout << "CLeader:;~CLeader() " << endl; }
 
      std::shared_ptr member;
};
 
class CMember
{
public:
      CMember()  { cout << "CMember::CMember()" << endl; }
      ~CMember() { cout << "CMember::~CMember() " << endl; }
 
      std::shared_ptr leader;   
};
 
void TestSharedPtrCrossReference()
{
      cout << "TestCrossReference<<<" << endl;
      boost::shared_ptr ptrleader( new CLeader );
      boost::shared_ptr ptrmember( new CMember );
 
      ptrleader->member = ptrmember;
      ptrmember->leader = ptrleader;
 
      cout <<"  ptrleader.use_count: " << ptrleader.use_count() << endl;
      cout <<"  ptrmember.use_count: " << ptrmember.use_count() << endl;
}
//output:
CLeader::CLeader()
CMember::CMember()
  ptrleader.use_count: 2
  ptrmember.use_count: 2

从运行输出来看，两个对象的析构函数都没有调用，也就是出现了内存泄漏——原因在于：TestSharedPtrCrossReference（）函数退出时，两个shared_ptr对象的引用计数都是2，所以不会释放对象；

这里出现了常见的交叉引用问题，这个问题，即使用原生指针互相记录时也需要格外小心；shared_ptr在这里也跌了跟头，ptrleader和ptrmember在离开作用域的时候，由于引用计数不为1，所以最后一次的release操作（shared_ptr析构函数里面调用）也无法destroy掉所托管的资源。

为了解决这种问题，可以采用weak_ptr来隔断交叉引用中的回路。所谓的weak_ptr，是一种弱引用，表示只是对某个对象的一个引用和使用，而不做管理工作；我们把他和shared_ptr来做一下对比：

shared_ptr	weak_ptr
强引用	弱引用
强引用存在，则引用的对象必定存在； 只要有一个强引用存在，强引用对象就不能释放	是对象存在时的一个引用； 及时有弱引用存在，对象仍然可以释放
增加对象的引用计数	不增加对象的引用计数
负责资源管理，在引用计数为0时释放资源	不负责资源管理
有多个构造函数，可以从任意类型初始化	只能从一个shared_ptr或者weak_ptr对象上进行初始化
	行为类似原生指针，不过可以用expired()判断对象是否已经释放

由于weak_ptr具有上述的一些性质，所以如果把CMember的声明改成如下形式，就可以解除这种循环，从而每个资源都可以顺利释放。

class CMember
{
public:
      CMember()  { cout << "CMember::CMember()" << endl; }
      ~CMember() { cout << "CMember::~CMember() " << endl; }
 
      boost::weak_ptr leader;   
};

这种使用weak_ptr的方式，是基于已暴露问题的修正方案，在做设计的时候，一般很难注意到这一点；总之，C++缺少垃圾收集机制，虽然智能指针提供了一个的解决方案，但他也难以到达完美；因此，C++中的资源管理必须慎之又慎。

 

类向外传递this与shared_ptr

可以说，shared_ptr着力解决类对象一级的资源管理，至于类对象内部，shared_ptr暂时还无法管理；那么这是否会出现问题呢？来看看这样的代码：

class Point1
{
public:
    Point1() :  X(0), Y(0) { cout << "Point1::Point1(), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
    Point1(int x, int y) :  X(x), Y(y) { cout << "Point1::Point1(int x, int y), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
    ~Point1() { cout << "Point1::~Point1(), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
     
public:
    Point1* Add(const Point1* rhs) { X += rhs->X; Y += rhs->Y; return this;}
 
private:
    int X;
    int Y;
};
 
void TestPoint1Add()
{
    cout << "TestPoint1Add() >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>" << endl;
    shared_ptr p1( new Point1(2,2) );
    shared_ptr p2( new Point1(3,3) );
     
    p2.reset( p1->Add(p2.get()) );
}
 
输出为：
TestPoint1Add() >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Point1::Point1(int x, int y), (2,2)
Point1::Point1(int x, int y), (3,3)
Point1::~Point1(), (3,3)
Point1::~Point1(), (5,5)
Point1::~Point1(), (5411568,5243076)

为了使类似Point::Add()::Add()可以连续进行Add操作成为可能，Point1定义了Add方法，并返回了this指针（从Effective C++的条款看，这里最好该以传值形式返回临时变量，在此为了说明问题，暂且不考虑这种设计是否合理，但他就这样存在了）。在TestPoint1Add（）函数中，使用此返回的指针重置了p2，这样p2和p1就同时管理了同一个对象，但是他们却互相不知道这事儿，于是悲剧发生了。在作用域结束的时候，他们两个都去对所管理的资源进行析构，从而出现了上述的输出。从最后一行输出也可以看出，所管理的资源，已经处于“无效”的状态了。

 

那么，我们是否可以改变一下呢，让Add返回一个shared_ptr了呢。我们来看看Point2:

class Point2
{
public:
    Point2() :  X(0), Y(0) { cout << "Point2::Point2(), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
    Point2(int x, int y) :  X(x), Y(y) { cout << "Point2::Point2(int x, int y), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
    ~Point2() { cout << "Point2::~Point2(), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
     
public:
    shared_ptr Add(const Point2* rhs) { X += rhs->X; Y += rhs->Y; return shared_ptr(this);}
 
private:
    int X;
    int Y;
};
 
void TestPoint2Add()
{
    cout << endl << "TestPoint2Add() >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>" << endl;
    shared_ptr p1( new Point2(2,2) );
    shared_ptr p2( new Point2(3,3) );
     
    p2.swap( p1->Add(p2.get()) );
}
 
输出为：
TestPoint2Add() >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Point2::Point2(int x, int y), (2,2)
Point2::Point2(int x, int y), (3,3)
Point2::~Point2(), (3,3)
Point2::~Point2(), (5,5)
Point2::~Point2(), (3379952,3211460)

从输出来看，哪怕使用shared_ptr来作为Add函数的返回值，仍然无济于事；对象仍然被删除了两次；

 针对这种情况，shared_ptr的解决方案是： enable_shared_from_this这个模版类。所有需要在内部传递this指针的类，都从enable_shared_from_this继承；在需要传递this的时候，使用其成员函数shared_from_this()来返回一个shared_ptr。运用这种方案，我们改良我们的Point类，得到如下的Point3：

class Point3 : public enable_shared_from_this
{
public:
    Point3() :  X(0), Y(0) { cout << "Point3::Point3(), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
    Point3(int x, int y) :  X(x), Y(y) { cout << "Point3::Point3(int x, int y), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
    ~Point3() { cout << "Point3::~Point3(), (" << X << "," << Y << ")" << endl; }
     
public:
    shared_ptr Add(const Point3* rhs) { X += rhs->X; Y += rhs->Y; return shared_from_this();}
 
private:
    int X;
    int Y;
};
 
void TestPoint3Add()
{
    cout << endl << "TestPoint3Add() >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>" << endl;
    shared_ptr p1( new Point3(2,2) );
    shared_ptr p2( new Point3(3,3) );
     
    p2.swap( p1->Add(p2.get()) );
}
输出为：
TestPoint3Add() >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
Point3::Point3(int x, int y), (2,2)
Point3::Point3(int x, int y), (3,3)
Point3::~Point3(), (3,3)
Point3::~Point3(), (5,5)

从这个输出可以看出，在这里的对象析构已经变得正常。因此，在类内部需要传递this的场景下，enable_shared_from_this是一个比较靠谱的方案；只不过，要谨慎的记住，使用该方案的一个前提，就是类的对象已经被shared_ptr管理，否则，就等着抛异常吧。例如：

Point3 p1(10, 10);
Point3 p2(20, 20);
 
p1.Add( &p2 ); //此处抛异常

上面的代码会导致crash。那是因为p1没有被shared_ptr管理。之所以这样，是由于shared_ptr的构造函数才会去初始化enable_shared_from_this相关的引用计数（具体可以参考代码），所以如果对象没有被shared_ptr管理，shared_from_this()函数就会出错。

 于是，shared_ptr又引入了注意事项：

• 若要在内部传递this，请考虑从enable_shared_from_this继承
• 若从enable_shared_from_this继承，则类对象必须让shared_ptr接管。
• 如果要使用智能指针，那么就要保持一致，统统使用智能智能，尽量减少raw pointer裸指针的使用。

 好嘛，到最后，再做一个总结：

• C++没有垃圾收集，资源管理需要自己来做。
• 智能指针可以部分解决资源管理的工作，但是不是万能的。
• 使用智能指针的时候，每个shared_ptr对象都应该有一个名字；也就是避免在一个表达式内做多个资源的初始化；
• 避免shared_ptr的交叉引用；使用weak_ptr打破交叉；
• 使用enable_shared_from_this机制来把this从类内部传递出来；
• 资源管理保持统一风格，要么使用智能指针，要么就全部自己管理裸指针；