Android指针管理：RefBase,SP,WP

Android中通过引用计数来实现智能指针，并且实现有强指针与弱指针。由对象本身来提供引用计数器，但是对象不会去维护引用计数器的值，而是由智能指针来管理。

要达到所有对象都可用引用计数器实现智能指针管理的目标，可以定义一个公共类，提供引用计数的方法，所有对象都去继承这个公共类，这样就可以实现所有对象都可以用引用计数来管理的目标，在Android中，这个公共类就是RefBase，同时还有一个简单版本LightRefBase。

RefBase作为公共基类提供了引用计数的方法，但是并不去维护引用计数的值，而是由两个智能指针来进行管理：sp(Strong Pointer)和wp(Weak Pointer)，代表强引用计数和弱引用计数。 

一、轻量级引用计数的实现：LightRefBase

LightRefBase的实现很简单，只是内部保存了一个变量用于保存对象被引用的次数，并提供了两个函数用于增加或减少引用计数。

template <class T>
class LightRefBase
{
public:
    inline LightRefBase() : mCount(0) { }
    inline void incStrong(const void* id) const {
        android_atomic_inc(&mCount);
    }
    inline void decStrong(const void* id) const {
        if (android_atomic_dec(&mCount) == 1) {
            delete static_cast<const T*>(this);
        }
    }
    //! DEBUGGING ONLY: Get current strong ref count.
    inline int32_t getStrongCount() const {
        return mCount;
    }
    typedef LightRefBase<T> basetype;
protected:
    inline ~LightRefBase() { }
private:
    mutable volatile int32_t mCount;
};

二、sp(Strong Pointer)

LightRefBase仅仅提供了引用计数的方法，具体引用数应该怎么管理，就要通过智能指针类来管理了，每当有一个智能指针指向对象时，对象的引用计数要加1，当一个智能指针取消指向对象时，对象的引用计数要减1，在C＋＋中，当一个对象生成和销毁时会自动调用（拷贝）构造函数和析构函数，所以，对对象引用数的管理就可以放到智能指针的（拷贝）构造函数和析构函数中。Android提供了一个智能指针可以配合LightRefBase使用：sp，sp的定义如下：

 

template <typename T>
class sp
{
public:
    inline sp() : m_ptr(0) { }
    sp(T* other);
    sp(const sp<T>& other);
                                          
    template<typename U> sp(U* other);
    template<typename U> sp(const sp<U>& other);
                                        
    ~sp();
                                          
    // Assignment
    sp& operator = (T* other);
    sp& operator = (const sp<T>& other);
                                          
    template<typename U> sp& operator = (const sp<U>& other);
    template<typename U> sp& operator = (U* other);
                                          
    //! Special optimization for use by ProcessState (and nobody else).
    void force_set(T* other);
                                          
    // Reset
    void clear();
                                          
    // Accessors
    inline  T&      operator* () const  { return *m_ptr; }
    inline  T*      operator-> () const { return m_ptr;  }
    inline  T*      get() const         { return m_ptr; }
                                          
    // Operators
    COMPARE(==)
    COMPARE(!=)
    COMPARE(>)
    COMPARE(<)
    COMPARE(<=)
    COMPARE(>=)
private:  
    template<typename Y> friend class sp;
    template<typename Y> friend class wp;
    void set_pointer(T* ptr);
    T* m_ptr;
};

代码比较多，其中Accessors部分代码重载了*、->操作符使我们使用sp的时候就像使用真实的对象指针一样，可以直接操作对象的属性或方法，COMPARE是宏定义，用于重载关系操作符，由于对引用计数的控制主要是由（拷贝）构造函数和析构函数控制，所以忽略其他相关代码后，sp可以精简为如下形式（赋值操作符也省略掉了，构造函数省略相似的两个）：

template <typename T>
class sp
{
public:
    inline sp() : m_ptr(0) { }
    sp(T* other);
    sp(const sp<T>& other);
                                        
    ~sp();
                                        
private:  
    template<typename Y> friend class sp;
    template<typename Y> friend class wp;
    void set_pointer(T* ptr);
    T* m_ptr;
};

默认构造函数使智能指针不指向任何对象，sp(T* other)与sp(const sp<T>& other)的实现如下：

template<typename T>
sp<T>::sp(T* other)
: m_ptr(other)
{
    if (other) other->incStrong(this);
}
                                       
template<typename T>
sp<T>::sp(const sp<T>& other)
: m_ptr(other.m_ptr)
{
    if (m_ptr) m_ptr->incStrong(this);
}

内部变量m_ptr指向实际对象，并调用实际对象的incStrong函数，T继承自LightRefBase，所以此处调用的是LightRefBase的incStrong函数，之后实际对象的引用计数加1。

当智能指针销毁的时候调用智能指针的析构函数：

template<typename T>
sp<T>::~sp()
{
    if (m_ptr) m_ptr->decStrong(this);
}

调用实际对象即LightRefBase的decStrong函数，其实现如下：

inline void decStrong(const void* id) const {
    if (android_atomic_dec(&mCount) == 1) {
        delete static_cast<const T*>(this);
    }
}

android_atomic_dec返回mCount减1之前的值，如果返回1表示这次减过之后引用计数就是0了，就把对象delete掉。

三、RefBase

RefBase提供了更强大的引用计数的管理。

class RefBase
{
public:
    void    incStrong(const void* id) const;
    void    decStrong(const void* id) const;
    void    forceIncStrong(const void* id) const;
    //! DEBUGGING ONLY: Get current strong ref count.
    int32_t getStrongCount() const;
                                 
    class weakref_type
    {
    public:
        RefBase refBase() const;
        void    incWeak(const void* id);
        void    decWeak(const void* id);
        // acquires a strong reference if there is already one.
        bool    attemptIncStrong(const void* id);
        // acquires a weak reference if there is already one.
        // This is not always safe. see ProcessState.cpp and BpBinder.cpp
        // for proper use.
        bool    attemptIncWeak(const void* id);
        //! DEBUGGING ONLY: Get current weak ref count.
        int32_t getWeakCount() const;
        //! DEBUGGING ONLY: Print references held on object.
        void    printRefs() const;
        //! DEBUGGING ONLY: Enable tracking for this object.
        // enable -- enable/disable tracking
        // retain -- when tracking is enable, if true, then we save a stack trace
        //           for each reference and dereference; when retain == false, we
        //           match up references and dereferences and keep only the
        //           outstanding ones.
        void    trackMe(bool enable, bool retain);
    };
    weakref_type*   createWeak(const void* id) const;
    weakref_type*   getWeakRefs() const;
    // DEBUGGING ONLY: Print references held on object.
    inline  void            printRefs() const { getWeakRefs()->printRefs(); }
    // DEBUGGING ONLY: Enable tracking of object.
    inline  void            trackMe(bool enable, bool retain)
    {
        getWeakRefs()->trackMe(enable, retain);
    }
    typedef RefBase basetype;
                                     
protected:
    RefBase();
    virtual     ~RefBase();
                                     
    //! Flags for extendObjectLifetime()
    enum {
        OBJECT_LIFETIME_STRONG  = 0x0000,
        OBJECT_LIFETIME_WEAK    = 0x0001,
        OBJECT_LIFETIME_MASK    = 0x0003
    };
                                     
    void    extendObjectLifetime(int32_t mode);
    //! Flags for onIncStrongAttempted()
    enum {
        FIRST_INC_STRONG = 0x0001
    };
                                     
    virtual void            onFirstRef();
    virtual void            onLastStrongRef(const void* id);
    virtual bool            onIncStrongAttempted(uint32_t flags, const void* id);
    virtual void            onLastWeakRef(const void* id);
                                     
private:
    friend class weakref_type;
    class weakref_impl;
                                     
    RefBase(const RefBase& o);
    RefBase&        operator=(const RefBase& o);
    weakref_impl* const mRefs;
};

不同于LightRefBase的是，RefBase内部并没有使用一个变量来维护引用计数，而是通过一个weakref_impl *类型的成员来维护引用计数，并且同时提供了强引用计数和弱引用计数。weakref_impl继承于RefBase::weakref_type，代码比较多，不过大都是调试代码，由宏定义分开，Release是不包含调试代码的，去除这些代码后其定义为：

#define INITIAL_STRONG_VALUE (1<<28)
                                
class RefBase::weakref_impl : public RefBase::weakref_type 
{ 
public: 
    volatile int32_t    mStrong; 
    volatile int32_t    mWeak; 
    RefBase* const      mBase; 
    volatile int32_t    mFlags; 
                                   
    weakref_impl(RefBase* base) 
        : mStrong(INITIAL_STRONG_VALUE) 
        , mWeak(0) 
        , mBase(base) 
        , mFlags(0) 
    { 
    } 
                                   
    void addStrongRef(const void* /*id*/) { } 
    void removeStrongRef(const void* /*id*/) { } 
    void addWeakRef(const void* /*id*/) { } 
    void removeWeakRef(const void* /*id*/) { } 
    void printRefs() const { } 
    void trackMe(bool, bool) { } 
};

weakref_impl中的函数都是作为调试用，Release版的实现都是空的，成员变量分别表示强引用数、弱引用数、指向实际对象的指针与flag，flag可控制实际对象的生命周期，取值为0或RefBase中定义的枚举值。

RefBase提供了incStrong与decStrong函数用于控制强引用计数值，其弱引用计数值是由weakref_impl控制，强引用计数与弱引用数都保存在weakref_impl *类型的成员变量mRefs中。

RefBase同LightRefBase一样为对象提供了引用计数的方法，对引用计数的管理同样要由智能指针控制，由于RefBase同时实现了强引用计数与弱引用计数，所以就有两种类型的智能指针，sp(Strong Pointer)与wp(Weak Pointer)。

sp前面已经说过，其（拷贝）构造函数调用对象即RefBase的incStrong函数。

void RefBase::incStrong(const void* id) const
{
    weakref_impl* const refs = mRefs;
    refs->incWeak(id);
    refs->addStrongRef(id);
    const int32_t c = android_atomic_inc(&refs->mStrong);
    LOG_ASSERT(c > 0, "incStrong() called on %p after last strong ref", refs);
    if (c != INITIAL_STRONG_VALUE)  {
        return;
    }
    android_atomic_add(-INITIAL_STRONG_VALUE, &refs->mStrong);
    refs->mBase->onFirstRef();
}

addStrong的函数体为空，incStrong函数内部首先调用成员变量mRefs的incWeak函数将弱引用数加1，然后再将强引用数加1，由于android_atomic_inc返回变量的旧值，所以如果其不等于INITIAL_STRONG_VALUE就直接返回，则则是第一次由强智能指针（sp）引用，将其减去INITIAL_STRONG_VALUE后变成1，然后调用对象的onFirstRef。

成员变量mRefs是在对象的构造函数中初始化的：

RefBase::RefBase()
    : mRefs(new weakref_impl(this))
{
}

weakrel_impl的incWeak继承自父类weakrel_type的incWeak：

void RefBase::weakref_type::incWeak(const void* id)
{
    weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>
    impl->addWeakRef(id);
    const int32_t c = android_atomic_inc(&impl->mWeak);
    LOG_ASSERT(c >= 0, "incWeak called on %p after last weak ref", this);
}

addWeakRef实现同样为空，所以只是将弱引用计数加1。所以当对象被sp引用后，强引用计数与弱引用计数会同时加1。

当sp销毁时其析构函数调用对象即RefBase的decStrong函数：

void RefBase::decStrong(const void* id) const
{ 
    weakref_impl* const refs = mRefs; 
    refs->removeStrongRef(id); 
    const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);
    if (c == 1) { 
        const_cast<RefBase*>(this)->onLastStrongRef(id); 
        if ((refs->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) != OBJECT_LIFETIME_WEAK) { 
            delete this; 
        }
    } 
    refs->removeWeakRef(id); 
    refs->decWeak(id); 
}

decStrong中将强引用数与弱引用数同时减1，如果这是最后一个强引用的话，会调用对象的onLastStrongRef，并且判断成员变量mRefs的成员变量mFlags来决定是否在对象的强引用数为0时释放对象。

mFlags可以为0或以下两个枚举值：

enum {
    OBJECT_LIFETIME_WEAK    = 0x0001,
    OBJECT_LIFETIME_FOREVER    = 0x0003
};

mFlags的值可以通过extendObjectLifetime函数改变：

void RefBase::extendObjectLifetime(int32_t mode)
{
    android_atomic_or(mode, &mRefs->mFlags);
}

OBJECT_LIFETIME_FOREVER包含OBJECT_LIFETIME_WEAK（位运算中其二进制11包含01），所以当

refs->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) != OBJECT_LIFETIME_WEAK

为true时表示mFlags为0，实际对象的生命周期受强引用数控制，所以在强引用数为0时delete this，否则实际对象的生命周期就由弱引用数控制。

再来看decWeak：

void RefBase::weakref_type::decWeak(const void* id) 
{ 
    weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this); 
    impl->removeWeakRef(id); 
    const int32_t c = android_atomic_dec(&impl->mWeak); 
    if (c != 1) return; 
                          
    if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) != OBJECT_LIFETIME_WEAK) { 
        if (impl->mStrong == INITIAL_STRONG_VALUE) 
            delete impl->mBase; 
        else { 
            delete impl; 
        } 
    } else { 
        impl->mBase->onLastWeakRef(id); 
        if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_FOREVER) != OBJECT_LIFETIME_FOREVER) { 
            delete impl->mBase; 
        } 
    } 
}

将弱引用数减1，若减1后不为0直接返回，否则判断

(impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) != OBJECT_LIFETIME_WEAK

若判断结果为true：

    实际对象生命周期被强引用数控制，接下来判断：

mpl->mStrong == INITIAL_STRONG_VALUE

1. 如果判断为true表示对象只被弱引用引用过，现在弱引用数为0，直接删除实际对象。

2. 如果判断为false，表示对象曾经被强引用引用过，但现在强引用为变为0了（因为增加或减小强引用数时一定同时增加或减小弱引用数，所以弱引用数为0时，强引用数一定为0），弱引用数为0了，直接释放mRefs，而实际对象由于受强引用数控制，已经在RefBase::decStrong中被delete了。

若判断结果为false:

    判断mFlgs是否是OBJECT_LIFETIME_FOREVER，如果是，什么都不作由用户自己控制对象的生命周期，否则，实际对象的生命周期受弱引用数控制，现在弱引用数为0，delete实际对象。

四、wp(Weak Pointer)

定义如下：

template <typename T>
class wp
{
public:
    typedef typename RefBase::weakref_type weakref_type;
                     
    inline wp() : m_ptr(0) { }
                 
    wp(T* other);
    wp(const wp<T>& other);
    wp(const sp<T>& other);
    template<typename U> wp(U* other);
    template<typename U> wp(const sp<U>& other);
    template<typename U> wp(const wp<U>& other);
                 
    ~wp();
                     
    // Assignment
                 
    wp& operator = (T* other);
    wp& operator = (const wp<T>& other);
    wp& operator = (const sp<T>& other);
                     
    template<typename U> wp& operator = (U* other);
    template<typename U> wp& operator = (const wp<U>& other);
    template<typename U> wp& operator = (const sp<U>& other);
                     
    void set_object_and_refs(T* other, weakref_type* refs);
                 
    // promotion to sp
                     
    sp<T> promote() const;
                 
    // Reset
                     
    void clear();
                 
    // Accessors
                     
    inline  weakref_type* get_refs() const { return m_refs; }
                     
    inline  T* unsafe_get() const { return m_ptr; }
                 
    // Operators
                         
    COMPARE(==)
    COMPARE(!=)
    COMPARE(>)
    COMPARE(<)
    COMPARE(<=)
    COMPARE(>=)
                 
private:
    template<typename Y> friend class sp;
    template<typename Y> friend class wp;
                 
    T*              m_ptr;
    weakref_type*   m_refs;
};

同sp一样，m_ptr指向实际对象，但wp还有一个成员变量m_refs。

template<typename T>
wp<T>::wp(T* other)
    : m_ptr(other)
{
    if (other) m_refs = other->createWeak(this);
}
                  
template<typename T>
wp<T>::wp(const wp<T>& other)
    : m_ptr(other.m_ptr), m_refs(other.m_refs)
{
    if (m_ptr) m_refs->incWeak(this);
}
                 
RefBase::weakref_type* RefBase::createWeak(const void* id) const
{
    mRefs->incWeak(id);
    return mRefs;
}

可以看到，wp的m_refs就是RefBase即实际对象的mRefs。

wp析构的时候减少弱引用计数：

template<typename T>
wp<T>::~wp()
{
    if (m_ptr) m_refs->decWeak(this);
}

由于弱指针没有重载*与->操作符，所以不能直接操作指向的对象，虽然有unsafe_get函数，但像名字所示的，不建议使用，直接使用实际对象指针的话就没必要用智能指针了。

因为弱指针不能直接操作对象，所以要想操作对象的话就要将其转换为强指针，即wp::promote方法：

template<typename T>
sp<T> wp<T>::promote() const
{
    return sp<T>(m_ptr, m_refs);
}
                
template<typename T>
sp<T>::sp(T* p, weakref_type* refs)
    : m_ptr((p && refs->attemptIncStrong(this)) ? p : 0)
{
}

是否能从弱指针生成一个强指针关键是看refs->attemptIncStrong，看其定义：

bool RefBase::weakref_type::attemptIncStrong(const void* id)
{
    incWeak(id);
                    
    weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
                    
    int32_t curCount = impl->mStrong;
    LOG_ASSERT(curCount >= 0, "attemptIncStrong called on %p after underflow",
               this);
    while (curCount > 0 && curCount != INITIAL_STRONG_VALUE) {
        if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount+1, &impl->mStrong) == 0) {
            break;
        }
        curCount = impl->mStrong;
    }
                    
    if (curCount <= 0 || curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
        bool allow;
        if (curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
            // Attempting to acquire first strong reference...  this is allowed
            // if the object does NOT have a longer lifetime (meaning the
            // implementation doesn't need to see this), or if the implementation
            // allows it to happen.
            allow = (impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) != OBJECT_LIFETIME_WEAK
                  || impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id);
        } else {
            // Attempting to revive the object...  this is allowed
            // if the object DOES have a longer lifetime (so we can safely
            // call the object with only a weak ref) and the implementation
            // allows it to happen.
            allow = (impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_WEAK
                  && impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id);
        }
        if (!allow) {
            decWeak(id);
            return false;
        }
        curCount = android_atomic_inc(&impl->mStrong);
                
        // If the strong reference count has already been incremented by
        // someone else, the implementor of onIncStrongAttempted() is holding
        // an unneeded reference.  So call onLastStrongRef() here to remove it.
        // (No, this is not pretty.)  Note that we MUST NOT do this if we
        // are in fact acquiring the first reference.
        if (curCount > 0 && curCount < INITIAL_STRONG_VALUE) {
            impl->mBase->onLastStrongRef(id);
        }
    }
                    
    impl->addWeakRef(id);
    impl->addStrongRef(id);
                
#if PRINT_REFS
    LOGD("attemptIncStrong of %p from %p: cnt=%d\n", this, id, curCount);
#endif
                
    if (curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
        android_atomic_add(-INITIAL_STRONG_VALUE, &impl->mStrong);
        impl->mBase->onFirstRef();
    }
                    
    return true;
}

首先通过incWeak将弱引用数加1（被强指针sp引用会导致强引用数和弱引用数同时加1），然后：

int32_t curCount = impl->mStrong;
while (curCount > 0 && curCount != INITIAL_STRONG_VALUE) {
    if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount+1, &impl->mStrong) == 0) {
        break;
    }
    curCount = impl->mStrong;
}

如果之前已经有强引用，直接将强引用数加1，android_atomic_cmpxchg表示如果impl->mStrong的值为curCount，则把impl->mString的值改为curCount+1，此处用while循环是防止其他线程已经增加了强引用数。

接下来：

if (curCount <= 0 || curCount == INITIAL_STRONG_VALUE)

表示对象目前没有强引用，这就要判断对象是否存在了。

如果curCount == INITIAL_STRONG_VALUE，表示对象没有被sp引用过。接下来判断：

allow = (impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) != OBJECT_LIFETIME_WEAK
    || impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id);

 

表示：如果对象的生命周期只受强引用控制，对象一定存在，要有强引用才可以管理对象的释放，所以一定会允许生成强引用；如果对象的生命周期受弱引用控制，调用对象的onIncStrongAttempted试图增加强引用，由于此时在弱引用中，弱引用一定不为0，对象也一定存在，调用onIncStrongAttempted的意图是因为类的实现者可能不希望用强引用引用对象。在RefBase中onIncStrongAttempted默认返回true：

bool RefBase::onIncStrongAttempted(uint32_t flags, const void* id)
{
    return (flags&FIRST_INC_STRONG) ? true : false;
}

如果curCount <= 0（只会等于0），表示对象强引用数经历了INITIAL_STRONG_VALUE -->大于0 --> 0，接下来就要判断：

allow = (impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_WEAK
    && impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id);

如果对象的生命周期受强引用数控制，那么由于曾被sp引用过，现在强引用数又为0，对象就已经被delete了，所以就不能生成强引用，否则如果对象的生命周期受弱引用数控制，就通过onIncStrongAttempted看类的实现者是否希望当对象的强引用数变为0时可以再次被强引用引用。

 

if (!allow) {
    decWeak(id);
    return false;
}

如果allow为false表示不能从弱引用生成强引用，就要调用decWeak将弱引用减1（因为在promote入口先将弱引用加了1），然后返回false表示生成强引用失败。

if (curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
    android_atomic_add(-INITIAL_STRONG_VALUE, &impl->mStrong);
    impl->mBase->onFirstRef();
}

最后，如果curCount == INITIAL_STRONG_VALUE表示第一次被sp引用，调用对象的onFirstRef函数。

五、总结

RefBase内部有一个指针指向实际对象，有一个weakref_impl类型的指针保存对象的强／弱引用计数、对象生命周期控制。

sp只有一个成员变量，用来保存实际对象，但这个实际对象内部已包含了weakref_impl *对象用于保存实际对象的引用计数。sp 管理一个对象指针时，对象的强、弱引用数同时加1，sp销毁时，对象的强、弱引用数同时减1。

wp中有两个成员变量，一个保存实际对象，另一个是weakref_impl *对象。wp管理一个对象指针时，对象的弱引用计数加1，wp销毁时，对象的弱引用计数减1。

weakref_impl中包含一个flag用于决定对象的生命周期是由强引用数控制还是由弱引用数控制：

• 当flag为0时，实际对象的生命周期由强引用数控制，weakref_impl *对象由弱引用数控制。

• 当flag为OBJECT_LIFETIME_WEAK时，实际对象的生命周期受弱引用数控制。

• 当flag为OBJECT_LIFETIME_FOREVER时，实际对象的生命周期由用户控制。

        可以用extendObjectLifetime改变flag的值。