智能指针 与 shared_from_this 源码解析
- 背景
- 智能指针的种类
- shared_ptr的实现
- _M_use_count是如何加减的?
- 为何使用智能指针管理对象，基类析构函数不是虚函数也会调用子类析构函数？
- weak_ptr
- _M_weak_count是如何加减的?
- weak_ptr的expired()和lock()做了什么?
- shared_from_this()是如何实现的
- 对象中的_M_weak_this是何时初始化的呢？
- unique_ptr 如何实现
- 如何实现不能拷贝与赋值的？
- 总结
注：本文转载原创作者“程序喵” 的《源码分析shared_ptr实现》。并对其结构进行了调整，内容做了补充。
背景
智能指针是C++中一项很常用的技术，合理的使用智能指针可以更方便的管理内存，降低内存泄漏的风险，这里只介绍C++11后官方的智能指针。
智能指针的种类
- shared_ptr
- weak_ptr
- unique_ptr
关于智能指针使用以及区别可以自行查找资料，这里主要介绍智能指针的实现原理。
shared_ptr的实现
我们平时看文档都知道shared_ptr内部是使用引用计数来记录托管指针被引用的次数，当托管指针的引用计数为0时会释放托管的内存，这里通过gcc源码探究shared_ptr内部究竟是如何实现的内存引用计数功能。
非标准类图如下：
如上图，shared_ptr类几乎什么都没有做，它是继承了shared_ptr, shared_ptr内部有一个类型为shared_count类型的成员_M_refcount, shared_count内部有类型为_Sp_counted_base*的_M_pi的成员， _Sp_counted_base才是整个shared_ptr功能的核心，通过_Sp_counted_base控制引用计数来管理托管的内存，由图可见_Sp_counted_base内部不持有托管内存的指针，这里__shared_count内部的成员其实是一个继承自_Sp_counted_base的_Sp_counted_ptr类型，_Sp_counted_ptr类型内部持有托管内存的指针_M_ptr, _M_pi是一个_Sp_counted_base基类对象指针，指向_Sp_counted_ptr子类对象内存，这样_M_pi内部就既可以控制引用计数，又可以在最后释放托管内存。
这里称_M_pi为管理对象，它内部的_M_ptr为托管对象，管理同一块托管对象的多个shared_ptr内部共用一个管理对象(_M_pi), 这里的多个shared_ptr可能是通过第一个shared_ptr拷贝或者移动而来，管理对象内部有两个成员变量_M_use_count和_M_weak_count, _M_use_count表示托管对象的引用计数，控制托管对象什么时候析构和释放，大概就是有N个shared_ptr的拷贝那引用计数就是N，当引用计数为0时调用托管对象的析构函数且释放内存。_M_weak_count表示管理对象的引用计数，引用管理对象也是一个内存指针，这块指针是初始化第一个shared_ptr时new出来的，到最后也需要delete，所以使用_M_weak_count来控制管理对象什么时候析构，我们平时用到的weak_ptr内部其实持有的就是这个管理对象的指针，当weak_ptr拷贝时，管理对象的引用计数_M_weak_count就会增加，当_M_weak_count为0时，管理对象_M_pi就会析构且释放内存。
_M_use_count是如何加减的?
_M_use_count表示托管对象的引用计数，即当shared_ptr拷贝时会增加，当shared_ptr析构时会减少，看代码：
template
__shared_ptr(const __shared_ptr<_Yp, _Lp>& __r,
element_type* __p) noexcept
: _M_ptr(__p), _M_refcount(__r._M_refcount) // never throws
{
}
__shared_count(const __shared_count& __r) noexcept : _M_pi(__r._M_pi)
{
if (_M_pi != 0) _M_pi->_M_add_ref_copy();
}
template <>
inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_add_ref_copy()
{
++_M_use_count;
}
shared_ptr拷贝时，内部shared_count类型的_M_refcount会进行拷贝，shared_count的拷贝构造函数会调用_M_add_ref_copy()方法，_M_add_ref_copy()方法中会将_M_use_count加1。
这里再看下shared_ptr的赋值构造函数：
// __shared_count 类
template
_Assignable&> operator=(
const shared_ptr<_Yp>& __r) noexcept
{
this->__shared_ptr<_Tp>::operator=(__r);
return *this;
}
template
_Assignable<_Yp> operator=(const __shared_ptr<_Yp, _Lp>& __r) noexcept
{
_M_ptr = __r._M_ptr;
_M_refcount = __r._M_refcount; // __shared_count::op= doesn't throw
return *this;
}
__shared_count& operator=(const __shared_count& __r) noexcept
{
_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
if (__tmp != _M_pi) {
if (__tmp != 0) __tmp->_M_add_ref_copy();
if (_M_pi != 0) _M_pi->_M_release();
_M_pi = __tmp;
}
return *this;
}
从代码中可见，shared_ptr的operator=会调用shared_ptr的operator=进而调用shared_count的operator=，从这里可以看出管理同一块托管对象的shared_ptr共用的同一个管理对象的指针。
_M_use_count是如何减为0的，可以猜想到shared_ptr析构时会调用__shared_count的析构函数，看精简代码：
~__shared_count() noexcept
{
if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_release();
}
template <>
inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_release() noexcept
{
if (--_M_use_count == 0) {
_M_dispose();
if (--_M_weak_count == 0) _M_destroy();
}
}
virtual void _M_dispose() noexcept { delete _M_ptr; }
在shared_ptr生命周期结束析构时会将引用计数减1，如果引用引用计数为0，会调用_M_dispose()函数进而释放托管对象内存。
为何使用智能指针管理对象，基类析构函数不是虚函数也会调用子类析构函数？
多态的实现往往需要将基类的析构函数定义成虚函数数，即使用关键字virsual关键字，这是因为在父类指针指向子类对象Base * ptr = new Child();，进行delete操作delete ptr时候，只会调用基类的析构函数~Base(),不会调用子类析构函数，这样就有内存泄漏的风险。
使用智能指针：
std::shared_ptr在销毁ptr时会调用析构Child的析构函数，这是为什么呢？
原因是存储的指针原类型类是使用函数模板传入的类型Child，而不是类模板传入的Base。
代码如下：
template
class shared_ptr : public __shared_ptr<_Tp>{
......
template>
explicit
shared_ptr(_Yp* __p) : __shared_ptr<_Tp>(__p) { }
......
};
template
class __shared_ptr : public __shared_ptr_access<_Tp, _Lp> {
......
template >
explicit __shared_ptr(_Yp* __p__p)
: _M_ptr(__p), _M_refcount(__p, typename is_array<_Tp>::type()) {
static_assert(!is_void<_Yp>::value, "incomplete type");
static_assert(sizeof(_Yp) > 0, "incomplete type");
_M_enable_shared_from_this_with(__p);
}
......
}
可以看到，传入__shared_ptr构造函数的数据类型为Yp,并不是类的模板类型_Tp,所以在析构delete操作的时候实际上是对子类对象指针进行的delete。
weak_ptr
_M_weak_count是如何加减的?
上面的代码中可以看见—_M_weak_count为0时，会调用_M_destroy()函数，这里看看—_M_weak_count是如何加减的。
管理对象初始化时_M_weak_count的初始值为1
_Sp_counted_base() noexcept : _M_use_count(1), _M_weak_count(1) {}
注意当shared_ptr拷贝或者移动时_M_weak_count是不会增加的，它表示的是管理对象的计数，只有当__M_use_count为0时_M_weak_count才会减1，除此之外_M_weak_count的数值是由weak_ptr控制的。
由上面类图可以看见weak_ptr内部其实和shared_ptr内部持有的是同一个管理对象指针，即_Sp_counted_base的指针，当weak_ptr拷贝析构时候，_Sp_counted_base内部的_M_weak_count会相应加减。
__weak_count(const __weak_count& __r) noexcept : _M_pi(__r._M_pi)
{
if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_add_ref();
}
template <>
inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_weak_add_ref() noexcept
{
++_M_weak_count;
}
~__weak_count() noexcept
{
if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release();
}
template <>
inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_weak_release() noexcept
{
if (--_M_weak_count == 0) _M_destroy();
}
virtual void _M_destroy() noexcept { delete this; }
从代码中可以看出，weak_ptr拷贝时_M_weak_count加1，析构时_M_weak_count减1，当_M_weak_count为0时，表示不再需要管理对象来控制托管对象，调用_M_destroy()的delete this来释放管理对象内存。
关于delete this，我们之后的文章会讲到。
weak_ptr的expired()和lock()做了什么?
bool expired() const noexcept
{
return _M_refcount._M_get_use_count() == 0;
}
weak_ptr的expired()函数只是看了托管对象的引用计数是否为0，为0返回true
__shared_ptr<_Tp, _Lp> lock() const noexcept
{
return __shared_ptr(*this, std::nothrow);
}
__shared_ptr(const __weak_ptr<_Tp, _Lp>& __r, std::nothrow_t)
: _M_refcount(__r._M_refcount, std::nothrow)
{
_M_ptr = _M_refcount._M_get_use_count() ? __r._M_ptr : nullptr;
}
weak_ptr的lock()函数是打算返回一个shared_ptr对象来延长托管对象的生命周期，这里返回后需要判断返回值是否为nullptr。
shared_from_this()是如何实现的
精简代码如下：
class enable_shared_from_this
{
shared_ptr shared_from_this() const
{
return shared_ptr(this->_M_weak_this);
}
mutable weak_ptr<_Tp> _M_weak_this;
};
使用shared_from_this()的类需要继承enable_shared_from_this类，enable_shared_from_this类中持有一个类型为weak_ptr的成员_M_weak_this，调用shared_from_this()就是将内部持有的weak_ptr转成了shared_ptr。
对象中的_M_weak_this是何时初始化的呢？
在share_ptr构造时候，会检查是否继承了类enable_shared_from_this, 如果继承了，就将_M_weak_this初始化赋值。
如:
// class __shared_ptr
template >
explicit __shared_ptr(_Yp* __p__p)
: _M_ptr(__p), _M_refcount(__p, typename is_array<_Tp>::type()) {
static_assert(!is_void<_Yp>::value, "incomplete type");
static_assert(sizeof(_Yp) > 0, "incomplete type");
_M_enable_shared_from_this_with(__p); // 检测是否继承enable_shared_from_this，并复制
}
检测是否继承 enable_shared_from_this，并复制代码如下：
// class __shared_ptr
template
using __esft_base_t = decltype(__enable_shared_from_this_base(
std::declval&>(), std::declval<_Yp*>()));
// Detect an accessible and unambiguous enable_shared_from_this base.
template
struct __has_esft_base : false_type {};
template
struct __has_esft_base<_Yp, __void_t<__esft_base_t<_Yp>>>
: __not_> {
}; // No enable shared_from_this for arrays
//-------------------------1
template ::type>
typename enable_if<__has_esft_base<_Yp2>::value>::type
_M_enable_shared_from_this_with(_Yp* __p) noexcept {
if (auto __base = __enable_shared_from_this_base(_M_refcount, __p))
__base->_M_weak_assign(const_cast<_Yp2*>(__p), _M_refcount);
}
template ::type>
typename enable_if::value>::type
_M_enable_shared_from_this_with(_Yp*) noexcept {}
// __weak_ptr 类
class __weak_ptr {
......
// Used by __enable_shared_from_this.
void _M_assign(_Tp* __ptr,
const __shared_count<_Lp>& __refcount) noexcept {
if (use_count() == 0) {
_M_ptr = __ptr;
_M_refcount = __refcount;
}
}
......
};
// class enable_shared_from_this
friend const enable_shared_from_this*
__enable_shared_from_this_base(const __shared_count<>&,
const enable_shared_from_this* __p)
{ return __p; }
上述的代码实现了检测与赋值的功能，这里使用了SFINAE的技术：如果匹配到继承(enable_shared_from_this)的模板，就进行赋值，如果匹配到无继承的模板，则什么也不做。
unique_ptr 如何实现
unique_ptr的实现较为简单，对象中只是存储了对象指针与删除器,对象析构时候调用delete,代码如下：
~unique_ptr() {
auto& __ptr = _M_t._M_ptr();
if (__ptr != nullptr) get_deleter()(__ptr);
__ptr = pointer();
}
如何实现不能拷贝与赋值的？
设置拷贝构造delete,重载赋值运算符为delete
代码如下：
// Disable copy from lvalue.
unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;
总结
- shared_ptr与weak_ptr采用同一套管理机制——计数对象。
shared_ptr内部使用__shared_count中的_Sp_counted_base对象来控制托管指针，_Sp_counted_base内部有_M_use_count和_M_weak_count，_M_use_count表示托管指针的引用计数，_M_weak_count表示_Sp_counted_base的引用计数，_M_use_count为0时候释放托管指针指向的内存，_M_weak_count为0时释放_Sp_counted_base指向的内存，这里_Sp_counted_base的生命线一般不会短于shared_ptr的生命线。 - unique_ptr只是设置了拷贝构造与重载赋值运算符为
delete，来控制对象。