boost::shared_ptr内部结构

本文是从过去自己的一篇博客中修改而来。因为年代久了，这篇博客的图片被CSDN升级搞丢了。所以现在重新绘制了结构图。

老文位置：http://blog.csdn.net/sheismylife/article/details/1694939

shared_ptr
    shared_ptr源自于著名的boost库，智能指针自从Scott Meyers在其作品<<More Effective C++>>首次提出并给出一个示范版本后得到了很大的发展。Loki和Boost是影响广泛的两个，Boost的智能指针较易使用，而Loki以功能强大思想深邃著称于世。C++标准委员会的人虽然对Loki赞赏有加，但是易用性似乎占了上风，于是Boost中的shared_ptr和weak_ptr出现在了C++标准的修改版中。现在可以肯定的是，C++09标准中一定会出现的是shared_ptr和weak_ptr两个指针。
    下面的关于shared_ptr的介绍，摘自马维达几年前的一篇文章《智能指针的标准之争：Boost vs. Loki》：
    shared_ptr：意在用于对被指向对象的所有权进行共享。被指向对象也保证会被删
除，但是这将发生在最后一个指向它的shared_ptr 被销毁时，或是调用reset 方法时。    shared_ptr符合C++标准库的“可复制构造”（CopyConstructible）和“可赋值”（Assignable）要求，所以可被用于标准的库容器中。另外它还提供了比较操作符，所以可与标准库的关联容器一起工作。shared_ptr 不能用于存储指向动态分配的数组的指针，这样的情况应该使用shared_array。该模板的实现采用了引用计数技术，所以无法正确处理循环引用的情况。可以使用weak_ptr 来“打破循环”。shared_ptr 还可在多线程环境中使用。
    下面的例子演示了如何在vector中使用shared_ptr:
class CTest
{
    ...
};
typedef boost::shared_ptr<CTest> TestPtr;
void PT(const TestPtr &t)
{
    std::cout << "id: " << t->GetId() << "/t/t";
    std::cout<< "use count: " << t.use_count() << '/n';
}
void main()
{
    std::vector<TestPtr> TestVector;
    TestPtr pTest0(new CTest(0));
    TestVector.push_back(pTest0);

    TestPtr pTest1(new CTest(1));
    TestVector.push_back(pTest1);

    TestPtr pTest2(new CTest(2));
    TestVector.push_back(pTest2);

    std::for_each(TestVector.begin(), TestVector.end(), PT);
    std::cout << '/n';
    pTest0.reset();
    pTest1.reset();
    pTest2.reset();
    
    std::for_each(TestVector.begin(), TestVector.end(), PT);
    std::cout << '/n';
    
    TestVector.clear();
    std::cout << '/n';
    std::cout << "exiting.../n";
}
其运行结果为：
id: 0 use count: 2
id: 1 use count: 2
id: 2 use count: 2
id: 0 use count: 1
id: 1 use count: 1
id: 2 use count: 1
id: 0 - Destructor is being called
id: 1 - Destructor is being called
id: 2 - Destructor is being called
exiting...
    运行结果中的“use count”是通过shared_ptr 的use_count()方法获得的“使用计数”，也就是，对所存储指针进行共享的shared_ptr 对象的数目。我们可以看到，在通过new 分配了3 个CTest 对象，并将相应的shared_ptr 对象放入TestVector 后，三个使用计数都为2；而在我们使用reset()方法复位pTest0、pTest1 和pTest2 后，TestVector 中的各个shared_ptr 对象的使用计数变成了1。这时，我们调用TestVector的clear()方法清除它所包含的shared_ptr 对象；因为已经没有shared_ptr 对象再指向我们先前分配的3
个CTest 对象，这3 个对象也随之被删除，并导致相应的析构器被调用
    有意思的是，虽然使用者对于支持Loki还是Boost分歧很大，他们的作者倒是和平相处，在Boost的网站上，我们可以看到Andrei推荐使用Boost，而在Boost的智能指针文档中，我们看到Boost对喜爱基于策略的智能指针的程序员推荐看看Andrei的大作<<Modern C++ Design>>。
    shared_ptr是基于引用计数的智能指针，那么多个对象如何共享引用计数呢？
在前面的浅拷贝和深拷贝一节中，我曾经给出一个很简单的例子，使用了静态成员变量来统计引用计数。

所有A类的对象共享一个变量_ref，这是一个简易装置，以至于在现实中几乎不可用。假如A的两个对象共享同一个字符串指针char* _p，并且使用_ref管理该指针的引用计数，那么现在又有两个A对象共享另外的字符串指针，他们用什么变量来管理引用计数呢？
现实世界中有两个解决方案,有一种string内部使用这样的引用计数器：

如果string对象要存储的是一个”hello,world”,一共占据11个字节空间，内部分配逻辑类似如下代码：
char* _pData=new char[12];
++_pData;
这样，_pData前面的一个字节将表示引用计数（有可能是4个字节），_pData仍然表示字符串的起始位置。这样两组string对象互不干扰，每组都有一个引用计数器。

shared_ptr的做法复杂点，请看下图：

shared_ptr<T>内部有两个成员变量，一个是裸指针px，一个是管理引用计数的变量pn,类型是shared_count。

 T * px;                     // contained pointer
 boost::detail::shared_count pn;    // reference counter

shared_count类有一个成员变量pi_，是一个sp_counted_base类型的指针，实际上指向sp_counted_impl_p类对象。

 sp_counted_base * pi_;

当shared_count对象构造时，将创建sp_counted_impl_p对象。下面的代码我去掉了一些宏：
template<class Y> 
explicit shared_count( Y * p ): pi_( 0 )
    {
        try
        {
            pi_ = new sp_counted_impl_p<Y>( p );
        }
        catch(...)
        {
            boost::checked_delete( p );
            throw;
        }
  }

sp_counted_base类的拥有成员变量use_count，并且在默认构造函数中初始化为1。

 sp_counted_base(): use_count_( 1 ), weak_count_( 1 )
 {
 }

sp_counted_impl_p是sp_counted_base的子类。

当第二个shared_ptr<T>对象根据第一个对象创建时，使用编译器默认提供的拷贝构造函数，作为shared_ptr类的成员变量shared_count pn的拷贝构造函数因此被调用。
    shared_count(shared_count const & r): pi_(r.pi_) // nothrow
    {
        if( pi_ != 0 ) pi_->add_ref_copy();
 }

我们可以看到引用计数器被增加了1。析构管理不再详述。

这里需要仔细画图来表达清楚。第一张图描述了创建一个shared_ptr对象的内存分配细节：

第二张图描述了用一个已经存在的shared_ptr对象构造一个复本的时候的内存分配细节。

你也可以使用shared_count类作为自己的引用计数管理器，名字空间为boost::detail。注意shared_count类是模板类，构造时需要传递你的T* p给它。