shared_ptr智能指针源码剖析
前几天有个人问了我一个问题： 如何将一个智能指针作为函数的返回值传递出来。当时这个问题一下子把我问倒了，后来经人提醒有一个叫shared_ptr的智能指针可以解决这个问题。
将shared_ptr作为函数返回值的代码是这样的：
#include <tr1/memory>
#include <stdio.h>
using std::tr1::shared_ptr;
shared_ptr<int> ReturnSharedPtr()
{
shared_ptr<int> p(new int(1000));
return p;
}
int main()
{
shared_ptr<int> p1 = ReturnSharedPtr();
printf("%d\n", *p1);
return 0;
}
在g++4.3版本以上编译通过。shared_ptr头文件的位置有点古怪，在我的DEBIAN(squeeze）机器上的这个地方：/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h，所以使用时要
#include <tr1/memory>而且shared_ptr被包装在std::tr1这个名字空间内。所以使用的时候和一般的stl模板的方式不大一样， 要using std::tr1这个namespace。也可以用一个编译器选项去掉这种古怪的定义方法， 具体是那个选项我查不到了。请了解的人帮忙指正一下。
shared_ptr的实现
看了一下stl的源码，shared_ptr的实现是这样的: shared_ptr模板类有一个__shared_count类型的成员_M_refcount来处理引用计数的问题。__shared_count也是一个模板类，它的内部有一个指向Sp_counted_base_impl类型的指针_M_pi。所有引用同一个对象的shared_ptr都共用一个_M_pi指针。
当一个shared_ptr拷贝复制时， _M_pi指针调用_M_add_ref_copy（）函数将引用计数+1。 当shared_ptr析构时，_M_pi指针调用_M_release()函数将引用计数-1。 _M_release()函数中会判断引用计数是否为0. 如果引用计数为0， 则将shared_ptr引用的对象内存释放掉。
__shared_count(const __shared_count& __r)
: _M_pi(__r._M_pi) // nothrow
{
if (_M_pi != 0)
_M_pi->_M_add_ref_copy();
COSTA_DEBUG_REFCOUNT;
}
这是__shared_count拷贝复制时的代码。首先将参数__r的_M_pi指针赋值给自己， 然后判断指针是否为NULL， 如果不为null 则增加引用计数。COSTA_DEBUG_REFCOUNT和COSTA_DEBUG_SHAREDPTR是我为了打印引用计数的调试代码，会打印文件行号和当前引用计数的值。
#define COSTA_DEBUG_REFCOUNT fprintf(stdout,"%s:%d costaxu debug refcount: %d\n", __FILE__,__LINE__,_M_pi->_M_get_use_count()); #define COSTA_DEBUG_SHAREDPTR fprintf(stdout,"%s:%d costaxu debug \n", __FILE__,__LINE__);
__shared_count&
operator=(const __shared_count& __r) // nothrow
{
_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;
}
COSTA_DEBUG_REFCOUNT;
return *this;
} 这是__share_count重载赋值操作符的代码。 首先，判断等号左右两边的__share_count是否引用同一个对象。如果引用同一个对象(__tmp==_M_pi)，那么引用计数不变，什么都不用做。如果不是的话，就把等号左边的share_ptr的引用计数-1，将等号右边的引用计数+1 。例如： 有两个shared_ptr p1和p2, 运行p1= p2 。 假如p1和p2是引用同一个对象的，那么引用计数不变。 如果p1和p2是指向不同对象的，那么p1所指向对象的引用计数-1， p2指向对象的引用计数+1。
~__shared_count() // nothrow
{
if (_M_pi != 0)
_M_pi->_M_release();
COSTA_DEBUG_REFCOUNT;
} 上面是__share_count的析构函数， 其实析构函数只是调用了_M_pi的_M_release这个成员函数。_M_release这个函数，除了会将引用计数-1之外，还会判断是否引用计数为0， 如果为0就调用_M_dispose()函数。 _M_dispose函数会将share_ptr引用的对象释放内存。
virtual void
_M_dispose() // nothrow
{
COSTA_DEBUG_SHAREDPTR;
_M_del(_M_ptr);
} _M_del是在构造_M_pi时候就初始化好的内存回收函数， _M_ptr就是shared_ptr引用的对象指针。
下面是我写的一段简单的测试代码:
#include <stdio.h>
#include <tr1/memory>
using std::tr1::shared_ptr;
shared_ptr<int> ReturnSharedPtr()
{
shared_ptr<int> p(new int(1000));
shared_ptr<int> p2(p);
shared_ptr<int> p3=p;
shared_ptr<int> p4;
p4=p2;
return p;
}
int main()
{
shared_ptr<int> p1 = ReturnSharedPtr();
printf("%d\n", *p1);
return 0;
}
下面是运行结果：
shared_ptr.h 169行是__shared_count拷贝构造时增加引用计数，184行是__shared_count赋值操作，161行是__share_count的析构时减少引用计数， 79行是释放引用对象的内存。
/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:169 costaxu debug refcount: 2 /usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:169 costaxu debug refcount: 3 /usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:184 costaxu debug refcount: 4 /usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 3 /usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 2 /usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 1 1000 /usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:79 costaxu debug /usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 0
shared_ptr线程安全性问题
关于shared_ptr的线程安全性。查了一些网上的资料，有的说是安全的，有的说不安全。引用CSDN上一篇比较老的帖子， 它是这样说的：
“Boost 文档对于 shared_ptr 的线程安全有一段专门的记述，内容如下：
shared_ptr objects offer the same level of thread safety as built-in types. A shared_ptr instance can be "read" (accessed using only const operations) simultaneously by multiple threads. Different shared_ptr instances can be "written to" (accessed using mutable operations such as operator= or reset) simultaneosly by multiple threads (even when these instances are copies, and share the same reference count underneath.)
Any other simultaneous accesses result in undefined behavior.
翻译为中文如下：
shared_ptr 对象提供与内建类型一样的线程安全级别。一个 shared_ptr 实例可以同时被多个线程“读”（仅使用不变操作进行访问）。 不同的 shared_ptr 实例可以同时被多个线程“写入”（使用类似 operator= 或 reset 这样的可变操作进行访问）（即使这些实 例是拷贝，而且共享下层的引用计数）。
任何其它的同时访问的结果会导致未定义行为。”
这几句话比较繁琐，我总结一下它的意思：
1 同一个shared_ptr被多个线程“读”是安全的。
2 同一个shared_ptr被多个线程“写”是不安全的。
3 共享引用计数的不同的shared_ptr被多个线程”写“ 是安全的。
如何印证上面的观点呢？
其实第一点我觉得比较多余。因为在多个线程中读同一个对象，在正常情况下不会有什么问题。
所以问题就是：如何写程序证明同一个shared_ptr被多个线程"写"是不安全的？
我的思路是，在多个线程中同时对一个shared_ptr循环执行两遍swap。 shared_ptr的swap函数的作用就是和另外一个shared_ptr交换引用对象和引用计数，是写操作。执行两遍swap之后, shared_ptr引用的对象的值应该不变。
程序如下：
#include <stdio.h>
#include <tr1/memory>
#include <pthread.h>
using std::tr1::shared_ptr;
shared_ptr<int> gp(new int(2000));
shared_ptr<int> CostaSwapSharedPtr1(shared_ptr<int> & p)
{
shared_ptr<int> p1(p);
shared_ptr<int> p2(new int(1000));
p1.swap(p2);
p2.swap(p1);
return p1;
}
shared_ptr<int> CostaSwapSharedPtr2(shared_ptr<int> & p)
{
shared_ptr<int> p2(new int(1000));
p.swap(p2);
p2.swap(p);
return p;
}
void* thread_start(void * arg)
{
int i =0;
for(;i<100000;i++)
{
shared_ptr<int> p= CostaSwapSharedPtr2(gp);
if(*p!=2000)
{
printf("Thread error. *gp=%d \n", *gp);
break;
}
}
printf("Thread quit \n");
return 0;
}
int main()
{
pthread_t thread;
int thread_num = 10, i=0;
pthread_t* threads = new pthread_t[thread_num];
for(;i<thread_num;i++)
pthread_create(&threads[i], 0 , thread_start , &i);
for(i=0;i<thread_num;i++)
pthread_join(threads[i],0);
delete[] threads;
return 0;
}
这个程序中我启了10个线程。每个线程调用10万次 CostaSwapSharedPtr2函数。 在CostaSwapSharePtr2函数中，对同一个share_ptr全局变量gp进行两次swap（写操作）， 在函数返回之后检查gp的值是否被修改。如果gp值被修改，则证明多线程对同一个share_ptr执行写操作是不安全的。
程序运行的结果如下：
Thread error. *gp=1000 Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread quit Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread error. *gp=1000 Thread quit Thread quit10个线程有9个出错。证明多线程对同一个share_ptr执行写操作是不安全的。我们在程序中，如果不运行CostaSwapSharedPtr2， 改成运行CostaSwapSharedPtr1呢？ CostaSwapSharedPtr1和CostaSwapSharedPtr2的区别在于， 它不是直接对全局变量gp进行写操作，而是将gp拷贝出来一份再进行写操作。运行的结果如下：
costa@pepsi:~/test/cpp/shared_ptr$ ./b Thread quit Thread quit Thread quit Thread quit Thread quit Thread quit Thread quit Thread quit Thread quit Thread quit
跑了很多次都没有出错。说明共享引用计数的不同的shared_ptr执行swap是线程安全的。BOOST文档是可信的。
补充一个问题： 为什么shared_ptr可以作为STL标准容器的元素，而auto_ptr不可以
这篇文章小结一下：
1 shared_ptr是一个非常实用的智能指针。
2 shared_ptr的实现机制是在拷贝构造时使用同一份引用计数。
3 对同一个shared_ptr的写操作不是线程安全的。 对使用同一份引用计数的不同shared_ptr是线程安全的。