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C++11中的智能指针shared_ptr、weak_ptr源码解析

乐9乐开发网 https://welsheng.com 2021-10-12 11:27 出处:网络 作者: 彼
目录1、前言2、源码准备3、智能指针概念4、源码解析4.1、shared_ptr解析4.1.1、shared_ptr4.1.2、__shared_ptr4.1.3、__shared_count4.1.4、_Sp_counted_base4.1.5、_Sp_counted_ptr4.1.6、shared_ptr总结4.2、weak_
目录
  • 1、前言
  • 2、源码准备
  • 3、智能指针概念
  • 4、源码解析
    • 4.1、shared_ptr解析
      • 4.1.1、shared_ptr
      • 4.1.2、__shared_ptr
      • 4.1.3、__shared_count
      • 4.1.4、_Sp_counted_base
      • 4.1.5、_Sp_counted_ptr
      • 4.1.6、shared_ptr总结
    • 4.2、weak_ptr解析
      • 4.2.1、weak_ptr
      • 4.2.2、__weak_ptr
      • 4.2.3、__weak_count
      • 4.2.4、回过头看weak_ptr中lock方法的实现
    • 4.3、enable_shared_from_this解析
      • 4.3.1、从一个典型的例子来认识智能指针的不足之处
      • 4.3.2、改进方法
      • 4.3.3、enable_shared_from_this解析
      • 4.3.4、__enable_shared_from_this_helper解析
  • 5、总结

    1、前言

    本文仅对C++智能指针shared_ptr、weak_ptr源码进行解析,需要读者有一定的C++基础并且对智能指针有所了解,本文并不对智能指针的使用方法、使用场景、效率等方面进行阐述分析,这些知识需自行查阅相关书籍去了解

    2、源码准备

    本文是基于gcc-4.9.0的源代码进行分析,shared_ptr和weak_ptr是C++11才加入标准的,所以低版本的gcc源码是没有shared_ptr和weak_ptr的,建议选择4.9.0或更新的版本去学习,不同版本的gcc源码差异应该不小,但是原理和设计思想的一样的,下面给出源码下载地址

    https://ftp.gnu.org/gnu/gcc

    3、智能指针概念

    智能指针(Smart pointers)是存储“指向动态分配(在堆上)的对象的指针”的对象。也就是说,智能指针其实是个对象。不过它的行为很像C++的内建指针,只是它们可以在适当的时候自动删除它们所指向的对象。智能指针在面对异常时有非常显著的作用,它们可以确保动态分配对象的完全析构。它们还可以用于跟踪多主人共享的动态分配对象。在概念上,智能指针可以看作拥有它所指向的对象,并因此在对象不再需要时负责将它删除。

    4、源码解析

    4.1、shared_ptr解析

    4.1.1、shared_ptr

    shared_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr.h

    template<typename _Tp>
    class shared_ptr : public __shared_ptr<_Tp>
    {
    public:
    ...
    	// 构造函数
    	template<typename _Tp1>
    	explicit shared_ptr(_Tp1* __p)
    		:__shared_ptr<_Tp>(__p)
    	{
    	}
    ...
    };
    

    由于源代码过长,这里就只贴出其中一部分进行分析:

    1. 该类没有类成员
    2. 该类继承于__shared_ptr,构造函数也只是调用了__shared_ptr的构造函数而已,将接管的普通指针传递给__shared_ptr
    3. 该类没有重载*->运算符,从这点看shared_ptr似乎无法实现普通指针的功能,推测这两个运算符的重载是在父类__shared_ptr实现的
    4. 该类没有析构函数,从智能指针最终会自动释放内存的特性来看,释放工作肯定不是在该类进行了,接下来分析父类__shared_ptr的实现

    4.1.2、__shared_ptr

    __shared_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h

    template<typename _Tp, _Lock_policy _Lp>
    class __shared_ptr
    {
    public:
        typedef _Tp element_type;
    ...
    	// 构造函数
    	template<typename _Tp1>
    	explicit __shared_ptr(_Tp1* __p)
    		:_M_ptr(__p), _M_refcount(__p)
    	{
    		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
    		static_assert( !is_void<_Tp>::value, "incomplete type" );
    		static_assert( sizeof(_Tp1) > 0, "incomplete type" );
    		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
    	}
    
    	// 析构函数
    	~__shared_ptr() = default;
    
    	typename std::add_lvalue_reference<_Tp>::type
    	operator*() const noexcept
    	{
    		_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT(_M_ptr != 0);
    		return *_M_ptr;
    	}
    
    	_Tp*
    	operator->() const noexcept
    	{
    		_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT(_M_ptr != 0);
    		return _M_ptr;
    	}
    ...
    
    private:
        _Tp* _M_ptr;    // Contained pointer.
        __shared_count<_Lp> _M_refcount;    // Reference counter.
    };
    

    同样的,源代码比较长且不是分析的重点,所以只贴出一部分进行分析:

    可以看到里面有两个类成员:_M_ptr(由智能指针接管的普通指针)、_M_refcount(引用计数器,类型为__shared_count)

    1. 从构造函数看,_M_ptr获得了接管的普通指针的值,而_M_refcount的构造也同样需要这个值
    2. 重载了*->运算符,由shared_ptr继承使用,使得智能指针最终能拥有和普通指针一样行为,尽管智能指针本质上是一个对象
    3. 从析构函数来看,里面啥也没做,说明接管的普通指针也不是在这里释放的,所以有可能是由_M_refcount来完成释放内存这个工作,下面分析__shared_count的实现

    4.1.3、__shared_count

    __shared_count位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h

    template<_Lock_policy _Lp>
    class __shared_count
    {
    public:
        constexpr __shared_count() noexcept : _M_pi(0)
        {
        }
    
        template<typename _Ptr>
        explicit __shared_count(_Ptr __p) : _M_pi(0)
        {
            __try
            {
                _M_pi = new _Sp_counted_ptr<_Ptr, _Lp>(__p);
            }
            __catch(...)
            {
                delete __p;
                __throw_exception_again;
            }
        }
    
        template<typename _Ptr, typename _Deleter>
        __shared_count(_Ptr __p, _Deleter __d)
            :__shared_count(__p, std::move(__d), allocator<void>())
        {
        }
    
        template<typename _Ptr, typename _Deleter, typename _Alloc>
        __shared_count(_Ptr __p, _Deleter __d, _Alloc __a)
            :_M_pi(0)
        {
            typedef _Sp_counted_deleter<_Ptr, _Deleter, _Alloc, _Lp> _Sp_cd_type;
            typedef typename allocator_traits<_Alloc>::template rebind_traits<_Sp_cd_type> _Alloc_traits;
            typename _Alloc_traits::allocator_type __a2(__a);
            _Sp_cd_type* __mem = 0;
            __try
            {
                __mem = _Alloc_traits::allocate(__a2, 1);
                _Alloc_traits::construct(__a2, __mem, __p, std::move(__d), std::move(__a));
                _M_pi = __mem;
            }
            __catch(...)
            {
                __d(__p); // Call _DNqIIZhjggbeleter on __p.
                if (__mem)
                    _Alloc_traits::deallocate(__a2, __mem, 1);
                __throw_exception_again;
            }
        }
    
        template<typename _Tp, typename _Alloc, typename... _Args>
        __shared_count(_Sp_make_shared_tag, _Tp*, const _Alloc& __a, _Args&&... __args)
            :_M_pi(0)
        {
            typedef _Sp_counted_ptr_inplace<_Tp, _Alloc, _Lp> _Sp_cp_type;
            typedef typename allocator_traits<_Alloc>::template rebind_traits<_Sp_cp_type> _Alloc_traits;
            typename _Alloc_traits::allocator_type __a2(__a);
            _Sp_cp_type* __mem = _Alloc_traits::allocate(__a2, 1);
            __try
            {
                _Alloc_traits::construct(__a2, __mem, std::move(__a),
                std::forward<_Args>(__args)...);
                _M_pi = __mem;
            }
            __catch(...)
            {
                _Alloc_traits::deallocate(__a2, __mem, 1);
                __throw_exception_again;
            }
        }
    
        template<typename _Tp, typename _Del>
        explicit __shared_count(std::unique_ptr<_Tp, _Del>&& __r)
            :_M_pi(0)
        {
            using _Ptr = typename unique_ptr<_Tp, _Del>::pointer;
            using _Del2 = typename conditional<is_reference<_Del>::value, reference_wrapper<typename remove_reference<_Del>::type>, _Del>::type;
            using _Sp_cd_type = _Sp_counted_deleter<_Ptr, _Del2, allocator<void>, _Lp>;
            using _Alloc = allocator<_Sp_cd_type>;
            using _Alloc_traits = allocator_traits<_Alloc>;
            _Alloc __a;
            _Sp_cd_type* __mem = _Alloc_traits::allocate(__a, 1);
            _Alloc_traits::construct(__a, __mem, __r.release(), __r.get_deleter());  // non-throwing
            _M_pi = __mem;
        }
    
        explicit __shared_count(const __weak_count<_Lp>& __r);
    
        explicit __shared_count(const __weak_count<_Lp>& __r, std::nothrow_t);
    
        ~__shared_count() noexcept
        {
            if (_M_pi != nullptr)
                _M_pi->_M_release();
        }
    
        __shared_count(const __shared_count& __r) noexcept
            :_M_pi(__r._M_pi)
        {
            if (_M_pi != 0)
                _M_pi->_M_add_ref_copy();
        }
    
        __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;
        }
    
        void _M_swap(__shared_count& __r) noexcept
        {
            _Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
            __r._M_pi = _M_pi;
            _M_pi = __tmp;
        }
    
        long _M_get_use_count() const noexcept
        { return _M_pi != 0 ? _M_pi->_M_get_use_count() : 0; }
    
        bool _M_unique() const noexcept
        { return this->_M_get_use_count() == 1; }
    
        void* _M_get_deleter(const std::type_info& __ti) const noexcept
        { return _M_pi ? _M_pi->_M_get_deleter(__ti) : nullptr; }
    
        bool _M_less(const __shared_count& __rhs) const noexcept
        { return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }
    
        bool _M_less(const __weak_count<_Lp>& __rhs) const noexcept
        { return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }
    
        friend inline bool operator==(const __shared_count& __a, const __shared_count& __b) noexcept
        { return __a._M_pi == __b._M_pi; }
    
    private:
        friend class __weak_count<_Lp>;
        _Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;
    }
    

    从源代码可以获得以下几点信息:

    有一个类成员:_M_pi(计数器,类型为_Sp_counted_base)

    1. 只有构造函数为_M_pi分配了内存,并且该类并没有直接持有从前面一直传递过来的那个普通指针,而是继续将其传递给_M_pi,所以内存的释放也不是直接在该类进行的。
    2. 拷贝构造函数没有分配内容,而是把拷贝对象的_M_pi直接拿过来了,有点类似于浅拷贝的意思,然后调用了_M_pi_M_add_ref_copy方法(后面会讲),增加了一次引用计数。赋值函数也是同样的道理,但是由于赋值函数的特殊性(当赋值对象原先就存在时调用赋值函数,否则调用拷贝构造函数),要先调用_M_pi_M_release方法(后面会讲)将自己持有的内存释放掉,其余操作和拷贝构造函数是一样的
    3. 从析构函数中可以看到,里面并没有直接释放掉为_M_pi分配的内存,而是调用了_M_pi_M_release方法,可以大概猜测是通过_M_release方法释放了_M_pi的内存(delete this指针,后面会讲)
    4. 由于__shared_count里面的方法都是借助_M_pi实现的,并且到这里都还没有见到释放那个普通指针的代码,所以还是得继续看_M_pi究竟做了什么工作,接下来继续看_Sp_counted_base的实现

    4.1.4、_Sp_counted_base

    _Sp_counted_base位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h

    template<_Lock_policy _Lp = __default_lock_policy>
    class _Sp_counted_base : public _Mutex_base<_Lp>
    {
    public:
        _Sp_counted_base() noexcept
            : _M_use_count(1), _M_weak_count(1)
        {
        }
      
        Virtual ~_Sp_counted_base() noexcept
        {
        }
    
        Virtual void _M_dispose() noexcept = 0;
      
        Virtual void _M_destroy() noexcept
        { delete this; }
    
        Virtual void* _M_get_deleter(const std::type_info&) noexcept = 0;
    
        void _M_add_ref_copy()
        { __gnu_cxx::__atomic_add_dispatch(&_M_use_count, 1); }
    
        void _M_add_ref_lock();
    
        bool _M_add_ref_lock_nothrow();
    
        void _M_release() noexcept
        {
            _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_use_count);
            if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_use_count, -1) == 1)
            {
                _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_use_count);
                _M_dispose();
                if (_Mutex_base<_Lp>::_S_need_barriers)
                {
                    _GLIBCXX_READ_MEM_BARRIER;
                    _GLIBCXX_WRITE_MEM_BARRIER;
                }
    
                _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_weak_count);
                if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_weak_count, -1) == 1)
                {
                    _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_weak_count);
                    _M_destroy();
                }
            }
        }
    
        void _M_weak_add_ref() noexcept
        { __gnu_cxx::__atomic_add_dispatch(&_M_weak_count, 1); }
    
        void _M_weak_release() noexcept
        {
            _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_weak_count);
            if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_weak_count, -1) == 1)
            {
                _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_weak_count);
                if (_Mutex_base<_Lp>::_S_need_barriers)
                {
                    _GLIBCXX_READ_MEM_BARRIER;
                    _GLIBCXX_WRITE_MEM_BARRIER;
                }
                _M_destroy();
            }
        }
    
        long _M_get_use_count() const noexcept
        {
            return __atomic_load_n(&_M_use_count, __ATOMIC_RELAXED);
        }
    
    private:
        _Sp_counted_base(_Sp_counted_base const&) = delete;
        _Sp_counted_base& operator=(_Sp_counted_base const&) = delete;
    
        _Atomic_word  _M_use_count;     // #shared
        _Atomic_word  _M_weak_count;    // #weak + (#shared != 0)
    };

    从源代码可以获得以下几点信息:

    1. 有两个类成员:_M_use_count(引用计数)、_M_weak_count(弱引用计数),对这两个数的操作需要具有原子性
    2. _M_release方法是该类的关键,可以看到先将_M_use_count自减1,然后判断自减前_M_use_count的值是否为1(无其他人引用),如果为1,则调用_M_dispose方法(虚函数,由派生类实现,估计是释放前面一直说的那个由智能指针接管的普通指针)。接下来将_M_weak_count自减1,然后判断自减前_M_weak_count的值是否为1(无其他人引用),如果为1,则调用_M_destroy方法,而_M_destroy方法里面释放了this指针,这点和前面的猜测一致
    3. _M_release可以看出,智能指针所接管的指针的释放内存工作只和_M_use_count有关,当_M_use_count减完时就会将其释放了,而_M_weak_count也是有作用的,他负责释放_Sp_counted_base本身,这也就是为什么weak_ptr可以保证智能指针这个对象有效,但不保证智能指针所引用的指针有效的原因了(这点和shared_ptr、weak_ptr的定义是完全一致的)
    4. 其他的方法就很简单了,比如_M_add_ref_copy方法将引用计数_M_use_count加一,_M_weak_add_ref方法将弱引用计数_M_weak_count加一,这个自增过程是具有原子性的,这里就不赘述了,大家可以自行看一下具体实现

    4.1.5、_Sp_counted_ptr

    _Sp_counted_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h

    template<typename _Ptr, _Lock_policy _Lp>
    class _Sp_counted_ptr final : public _Sp_counted_base<_Lp>
    {
    public:
        explicit _Sp_counted_ptr(_Ptr __p) noexcept : _M_ptr(__p)
        {
        }
    
        Virtual void _M_dispose() noexcept
        { delete _M_ptr; }
    
        Virtual void _M_destroy() noexcept
        { delete this; }
    
        Virtual void* _M_https://www.cppcns.comget_deleter(const std::type_info&) noexcept
        { return nullptr; }
    
        _Sp_counted_ptr(const _Sp_counted_ptr&) = delete;
        _Sp_counted_ptr& operator=(const _Sp_counted_ptr&) = delete;
    
    private:
        _Ptr _M_ptr;
    };
    
    1. 从源代码中可以看到_Sp_counted_ptr_Sp_counted_base的派生类,并且__shared_count在初始化_M_pi时用的也是_Sp_counted_ptr
    2. 接着看_M_dispose方法的实现,里面确实删除了一开始shared_ptr接管的指针,_M_destroy方法用于释放自己的内存(由__shared_count调用),和前面猜想一致

    4.1.6、shared_ptr总结

    看完前面分析的内容再回过头来看,_Sp_counted_base_M_add_ref_copy方法是整个流程的关键,它实现了引用计数器的增加,那么在何时调用它就是关键了。通过在代码中检索,可以查到__shared_count的赋值构造函数和拷贝构造函数调用了它(其实也只有可能是这里啦,因为只有它的类成员有_Sp_counted_base),这样整个流程也就解释通了:

    1. __shared_count的成员_M_pi只会初始化一次(构造函数中分配内存初始化的)
    2. 后面调用拷贝构造时(这个行为由__shared_ptr触发,__shared_ptr的拷贝构造函数和赋值函数都会调用__shared_count的拷贝构造函数),__shared_count只是简单复制了_M_pi而已,并没有重新分配内存,然后再调用_M_add_ref_copy增加一次引用计数,这样就实现了shared_ptr每多一份拷贝就增加一次引用计数的特性了
    3. 每一个__shared_count被析构都会使引用计数减一,减完就将智能指针持有的资源释放,这个前面已经分析过了,这里就不赘述了

    4.2、weak_ptr解析

    4.2.1、weak_ptr

    weak_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr.h

    template<typename _Tp>
    class weak_ptr : public __weak_ptr<_Tp>
    {
    public:
    	constexpr weak_ptr() noexcept
    		:__weak_ptr<_Tp>()
    	{
    	}
    
    	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
    	weak_ptr(const weak_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
    		:__weak_ptr<_Tp>(__r)
    	{
    	}
    
    	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
    	weak_ptr(const shared_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
    		:__weak_ptr<编程客栈_Tp>(__r)
    	{
    	}
    
    	template<typename _Tp1>
    	weak_ptr& operator=(const weak_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
    	{
    		this->__weak_ptr<_Tp>::operator=(__r);
    		return *this;
    	}
    
    	template<typename _Tp1>
    	weak_ptr& operator=(const shared_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
    	{
    		this->__weak_ptr<_Tp>::operator=(__r);
    		return *this;
    	}
    
    	shared_ptr<_Tp>
    	lock() const noexcept
    	{
    		return shared_ptr<_Tp>(*this, std::nothrow);
    	}
    }
    

    从源代码中可以看出以下几点:

    1. 该类没有类成员
    2. 从构造函数的参数来看(无参构造函数除外),只能使用shared_ptrweak_ptr来构造一个weak_ptr对象,包括赋值函数也是这样的,这就和shared_ptr有很大区别了,从4.1.1小节可以看到shared_ptr是可以使用普通指针来构造的
    3. 可以调用lock方法来获得一个shared_ptrlock方法的实现后面再讲

    该类没有重载*->运算符,接下来分析其父类__weak_ptr的实现

    4.2.2、__weak_ptr

    __weak_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h

    template<typename _Tp, _Lock_policy _Lp>
    class __weak_ptr
    {
    public:
    	typedef _Tp element_type;
    
    	constexpr __weak_ptr() noexcept
    		:_M_ptr(0)
    		,_M_refcount()
    	{
    	}
    
    	__weak_ptr(const __weak_ptr&) noexcept = default;
    	__weak_ptr& operator=(const __weak_ptr&) noexcept = default;
    	~__weak_ptr() = default;
    	
    	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
    	__weak_ptr(const __weak_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
    		:_M_refcount(__r._M_refcount)
    	{ _M_ptr = __r.lock().get(); }
    
    	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
    	__weak_ptr(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
    		:_M_ptr(__r._M_ptr)
    		,_M_refcount(__r._M_refcount)
    	{
    	}
    
    	template<typename _Tp1>
    	__weak_ptr& operator=(const __weak_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
    	{
    		_M_ptr = __r.lock().get();
    		_M_refcount = __r._M_refcount;
    		return *this;
    	}
    
    	template<typename _Tp1>
    	__weak_ptr& operator=(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
    	{
    		_M_ptr = __r._M_ptr;
    		_M_refcount = __r._M_refcount;
    		return *this;
    	}
    
    	__shared_ptr<_Tp, _Lp> lock() const noexcept
    	{ return __shared_ptr<element_type, _Lp>(*this, std::nothrow); }
    
    	long use_count() const noexcept
    	{ return _M_refcount._M_get_use_count(); }
    
    	bool expired() const noexcept
    	{ return _M_refcount._M_get_use_count() == 0; }
    
    	template<typename _Tp1>
    	bool owner_before(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __rhs) const
    	{ return _M_refcount._M_less(__rhs._M_refcount); }
    
    	template<typename _Tp1>
    	bool owner_before(const __weak_ptr<_Tp1, _Lp>& __rhs) const
    	{ return _M_refcount._M_less(__rhs._M_refcount); }
    
    	void reset() noexcept
    	{ __weak_ptr().swap(*this); }
    
    	void swap(__weak_ptr& __s) noexcept
    	{
    		std::swap(_M_ptr, __s._M_ptr);
    		_M_refcount._M_swap(__s._M_refcount);
    	}
    
    private:
    	// Used by __enable_shared_from_this.
    	void _M_assign(_Tp* __ptr, const __shared_count<_Lp>& __refcount) noexcept
    	{
    		_M_ptr = __ptr;
    		_M_refcount = __refcount;
    	}
    
    	template<typename _Tp1, _Lock_policy _Lp1> friend class __shared_ptr;
    	template<typename _Tp1, _Lock_policy _Lp1> friend class __weak_ptr;
    	friend class __enable_shared_from_this<_Tp, _Lp>;
    	friend class enable_shared_from_this<_Tp>;
    
    	_Tp* _M_ptr;         // Contained pointer.
    	__weak_count<_Lp> _M_refcount;    // Reference counter.
    }
    

    从源代码中可以看出以下几点信息:

    1. 有两个类成员:_M_ptr(由智能指针接管的普通指针)、_M_refcount(弱引用计数器,类型为__weak_count)
    2. 从构造函数看,_M_ptr获得了接管的普通指针的值,而_M_refcount的构造并不需要这个值了(这点和__shared_ptr不一样了),_M_refcount只能借助其他__shared_ptr_M_refcount或者__weak_ptr_M_refcount来进行构造(注意这两个的_M_refcount类型不同,说明__weak_count支持多种类型进行构造)
    3. 拷贝构造函数和赋值函数的实现同上
    4. 该类依然没有重载*->运算符,由于接下去已无继承关系,所以weak_ptr不具备普通指针的特性,无法直接使用资源,这点符合weak_ptr的定义
    5. 既然weak_ptr无法直接使用资源,那他设计_M_ptr这个成员的意图在哪里呢?答案就是lock方法将weak_ptr转换为shared_ptr时是需要将这个指针传递过去的,不然连接管的指针都没了转换的意义也就没了
    6. 析构函数啥也没做,因为weak_ptr不持有资源,不对资源的释放产生影响,接下来对__weak_count进行分析

    4.2.3、__weak_count

    __weak_count的实现位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h

    template<_Lock_policy _Lp>
    class __weak_count
    {
    public:
    	constexpr __weak_count() noexcept : _M_pi(0)
    	{
    	}
    
    	__weak_count(const __shared_count<_Lp>& __r) noexcept
    		:_M_pi(__r._M_pi)
    	{
    		if (_M_pi != 0)
    			_M_pi->_M_weak_add_ref();
    	}
    
    	__weak_count(const __weak_count<_Lphttps://www.cppcns.com>& __r) noexcept
    		:_M_pi(__r._M_pi)
    	{
    		if (_M_pi != 0)
    			_M_pi->_M_weak_add_ref();
    	}
    
    	~__weak_count() noexcept
    	{
    		if (_M_pi != 0)
    			_M_pi->_M_weak_release();
    	}
    
    	__weak_count<_Lp>&
    	operator=(const __shared_count<_Lp>& __r) noexcept
    	{
    		_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
    		if (__tmp != 0)
    			__tmp->_M_weak_add_ref();
    		if (_M_pi != 0)
    			_M_pi->_M_weak_release();
    		_M_pi = __tmp;
    		return *this;
    	}
    
    	__weak_count<_Lp>& operator=(const __weak_count<_Lp>& __r) noexcept
    	{
    		_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
    		if (__tmp != 0)
    			__tmp->_M_weak_add_ref();
    		if (_M_pi != 0)
    			_M_pi->_MNqIIZhjggb_weak_release();
    		_M_pi = __tmp;
    		return *this;
    	}
    
    	void _M_swap(__weak_count<_Lp>& __r) noexcept
    	{
    		_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
    		__r._M_pi = _M_pi;
    		_M_pi = __tmp;
    	}
    
    	long _M_get_use_count() const noexcept
    	{ return _M_pi != 0 ? _M_pi->_M_get_use_count() : 0; }
    
    	bool _M_less(const __weak_count& __rhs) const noexcept
    	{ return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }
    
    	bool _M_less(const __shared_count<_Lp>& __rhs) const noexcept
    	{ return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }
    
    	friend inline bool operator==(const __weak_count& __a, const __weak_count& __b) noexcept
    	{ return __a._M_pi == __b._M_pi; }
    
    private:
    	friend class __shared_count<_Lp>;
    	_Sp_counted_base<_Lp>*  _M_pi;
    }
    

    从源代码可以获得以下几点信息:

    1. 有一个类成员:_M_pi(计数器,类型为_Sp_counted_base)
    2. 仔细一看__shared_count里也持有这个成员,类型一模一样,这样也就解释得通为什么__shared_count__weak_count可以互相转换了,转换的方式很简单:
    __shared_count转换为__weak_count的过程为:

    拷贝_M_pi,然后调用_M_weak_add_ref方法增加一次弱引用计数__weak_count转换为__shared_count的过程为:

    拷贝_M_pi,然后调用_M_add_ref_copy方法增加一次引用计数

    1. 构造函数、拷贝构造函数、赋值函数均不为_M_pi分配了内存,这点也可以看出weak_ptr确实是shared_ptr的附属品而已,自己不持有资源不控制资源
    2. 析构函数中调用了_M_pi_M_weak_release方法,释放了_M_pi的内存(条件满足的情况下才会释放)
    3. 接下来的内容和3.1.4小节还有3.1.5小节的内容是一样的,这里就不赘述

    4.2.4、回过头看weak_ptr中lock方法的实现

    weak_ptrlock方法调用了shared_ptr的构造函数如下:

    shared_ptr(const weak_ptr<_Tp>& __r, std::nothrow_t)
        :__shared_ptr<_Tp>(__r, std::nothrow)
    {
    }

    从上面的代码可以看出调用了__shared_ptr的构造函数,代码如下:

    __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;
    }
    

    可以看到此时先是使用了__weak_ptr_M_refcount成员(类型为__weak_count)来构造__shared_ptr_M_refcount成员(类型为__shared_count),然后再判断引用计数器是否为0,为零的话就将__shared_ptr_M_ptr成员置为nullptr,即lock函数执行失败;不为零的话就会正常构建一个shared_ptr了。

    上面讲的构造_M_refcount的方法如下所示:

    template<_Lock_policy _Lp>
    inline __shared_count<_Lp>::__shared_count(const __weak_count<_Lp>& __r, std::nothrow_t)
        :_M_pi(__r._M_pi)
    {
        if (_M_pi != nullptr)
            if (!_M_pi->_M_add_ref_lock_nothrow())
                _M_pi = nullptr;
    }
    
    template<>
    inline bool _Sp_counted_base<_S_single>::_M_add_ref_lock_nothrow()
    {
        if (_M_use_count == 0)
            return false;
        ++_M_use_count;
        return true;
    }
    

    从上面的代码中我们可以看到,首先__shared_count使用__weak_count_M_pi来构建自己的_M_pi,从前面的分析我们可以知道,在所有的shared_ptrweak_ptr消亡之前,_M_pi的内存是不会被释放的,所以这里就算之前的shared_ptr已经全部消亡(即资源已释放),_M_pi还是有效的(因为weak_ptr还没有消亡)。而通过判断_M_add_ref_lock_nothrow的返回值来确定是否要将_M_pi置为nullptr,可以看到判断的条件为_M_use_count是否为0(即判断资源是否被释放了)。

    接下来再看一下__shared_count_M_get_use_count方法,代码如下:

    long _M_get_use_count() const noexcept
    { return _M_pi != 0 ? _M_pi->_M_get_use_count() : 0; }
    

    代码比较简单,意思就是如果此时资源已经被释放了(对应_M_pi值为nullptr),则会返回0,再回到上面第2点讲的那里,_M_ptr将被设置为nullptr,即资源无效,lock函数执行失败。

    至此weak_ptrlock方法的实现原理就全部讲解完毕。

    4.3、enable_shared_from_this解析

    4.3.1、从一个典型的例子来认识智能指针的不足之处

    有时候我们需要在一个被shared_ptr管理的对象的内部获取自己的shared_ptr,比如下面这个的例子:

    class Ptr
    {
    public:
    	void fun()
    	{
    		std::shared_ptr<Ptr> p(this);
    		std::cout << sp->use_count() << std::endl;
    	}
    };
    
    std::shared_ptr<Ptr> p= std::make_shared<Ptr>();
    p->fun(); //输出为1
    

    从上面这个简单的例子可以看到,fun输出的居然是1而不是2,这是为什么?倒回去4.1.2小节可以看到,当使用普通指针(上面的那个this)去构造shared_ptr时,构造出来的shared_ptr一定是独立的,不与其他人共享的。这样就会出现一个非常严重的问题,那就是析构时会导致对象被重复释放, 从而引发错误

    4.3.2、改进方法

    现在明确一下我们的需求:在一个对象内部构造该对象的shared_ptr 时,即使该对象已经被shared_ptr管理着,也不会造成对象被两个独立的智能指针管理。这就要求我们在对象内构造对象的智能指针时,必须能识别有对象是否已经由其他智能指针管理,智能指针的数量,并且我们创建智能指针后也能让之前的智能指针感知到。当然标准已经也给出了解决了这个问题办法,那就是使用接下来所提到的enable_shared_from_this

    4.3.3、enable_shared_from_this解析

    enable_shared_from_this的实现位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr.h

    template<typename _Tp>
    class enable_shared_from_this
    {
    protected:
    	constexpr enable_shared_from_this() noexcept { }
    
    	enable_shared_from_this(const enable_shared_from_this&) noexcept { }
    
    	enable_shared_from_this& operator=(const enable_shared_from_this&) noexcept
    	{ return *this; }
    
    	~enable_shared_from_this() { }
    
    public:
    	shared_ptr<_Tp> shared_from_this()
    	{ return shared_ptr<_Tp>(this->_M_weak_this); }
    
    	shared_ptr<const _Tp> shared_from_this() const
    	{ return shared_ptr<const _Tp>(this->_M_weak_this); }
    
    private:
    	template<typename _Tp1>
    	void _M_weak_assign(_Tp1* __p, const __shared_count<>& __n) const noexcept
    	{ _M_weak_this._M_assign(__p, __n); }
    
    	template<typename _Tp1>
    	friend void __enable_shared_from_this_helper(const __shared_count<>& __pn, const enable_shared_from_this* __pe, const _Tp1* __px) noexcept
    	{
    		if (__pe != 0)
    			__pe->_M_weak_assign(const_cast<_Tp1*>(__px), __pn);
    	}
    
    	mutable weak_ptr<_Tp>  _M_weak_this;
    };
    

    从源代码可以获得以下几点信息:

    1. 有一个类成员:_M_weak_this
    2. 该类需要被继承,被需要用智能指针管理的对象继承
    3. 我们平时就是使用该类的shared_from_this方法的,可以看到其实现就是利用_M_weak_this构造一个shared_ptr对象而已
    4. 该类并没有直接初始化_M_weak_this,而是提供了_M_weak_assign方法来构造_M_weak_this,其实现比较简单,就是调用了weak_ptr_M_assign方法
    5. 那么问题来了,_M_weak_assign方法由谁调用呢?从后面我们可以知道是由一个全局函数__enable_shared_from_this_helper调用的,该函数有一种重载形式是enable_shared_from_this的友元函数,从上面的代码中就可以看到了,那唯一一个友元函数就是__enable_shared_from_this_helper,里面调用了enable_shared_from_this_M_weak_assign方法。
    6. __enable_shared_from_this_helper函数要在哪个时间点使用才能达到预期的效果呢?答案当然是在__shared_ptr的构造函数中调用。下面列出了__shared_ptr部分构造函数,可以看到确实调用了__enable_shared_from_this_helper,证实了前面的猜想
    template<typename _Tp, _Lock_policy _Lp>
    class __shared_ptr
    {
    public:
    ...
    
    	template<typename _Tp1>
    	explicit __shared_ptr(_Tp1* __p)
    		:_M_ptr(__p)
    		,_M_refcount(__p)
    	{
    		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
    		static_assert( !is_void<_Tp>::value, "incomplete type" );
    		static_assert( sizeof(_Tp1) > 0, "incomplete type" );
    		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
    	}
    
    	template<typename _Tp1, typename _Deleter>
    	__shared_ptr(_Tp1* __p, _Deleter __d)
    		:_M_ptr(__p)
    		,_M_refcount(__p, __d)
    	{
    		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
    		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
    	}
    
    	template<typename _Tp1, typename _Deleter, typename _Alloc>
    	__shared_ptr(_Tp1* __p, _Deleter __d, _Alloc __a)
    		:_M_ptr(__p)
    		,_M_refcount(__p, __d, std::move(__a))
    	{
    		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
    		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
    	}
    
    ...
    };
    

    4.3.4、__enable_shared_from_this_helper解析

    __enable_shared_from_this_helper的实现位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h

    // Friend of enable_shared_from_this.
    template<typename _Tp1, typename _Tp2>
    void __enable_shared_from_this_helper(const __shared_count<>&, const enable_shared_from_this<_Tp1>*, const _Tp2*) noexcept;
    
    template<_Lock_policy _Lp>
    inline void __enable_shared_from_this_helper(const __shared_count<_Lp>&, ...) noexcept
    { }
    

    这里有必要再看一下__enable_shared_from_this_helper函数的实现,有两种形式,第一种就是上面提到过的那个enable_shared_from_this的友元函数,而第二种重载形式里面啥都没有干。为什么需要重载这两个函数呢?答案很简单,当我们一个类继承了enable_shared_from_this之后,这个类肯定可以转换为enable_shared_from_this类型了,此时在__shared_ptr中调用的__enable_shared_from_this_helper就是上面第一种情况了,这种情况下就可以使用shared_from_this函数了;反之,当类没有继承enable_shared_from_this时,就是调用第二中形式的__enable_shared_from_this_helper,此时也就不能使用shared_from_this函数了。

    至此,为什么在使用shared_from_this前,对应的类需要继承enable_shared_from_this的原因也就全部揭晓了。

    5、总结

    本文先是简单介绍了C++智能指针的定义,然后通过对源码进行详细分析,我们了解了shared_ptrweak_ptr以及enable_shared_from_this的实现原理。源代码内容并不是很复杂,没有用到什么很高深的语法糖,但是阅读起来非常绕(因为这三个类的关联错综复杂),这就需要我们有耐心地一步一步去深入学习。

    最后,如果大家觉得本文写得好的话麻烦点赞收藏关注一下谢谢,也可以关注该专栏,以后会有更多优质文章输出的。

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