再谈 shared_ptr

原理

shared_ptr在底层实现上，维护一个引用计数，来管理内存对象的生命周期：当新构造一个对象时，引用计数初始化为1，拷贝对象时，引用计数加1，对象作用域结束析构时，引用计数减1，当最后一个对象被销毁时，引用计数会减为0，所持有的资源被释放！

线程安全性

shared_ptr保证多个线程能够安全地增加或减少其引用计数。但如果多个线程同时读写同一个shared_ptr或操作其管理的对象，那么需要额外进行同步机制，比如使用互斥锁mutex来保护这些操作。

手写一个shared_ptr

shared_ptr内部包含两部分指针，一个指向实际管理的资源，另一个指向控制块。控制块中包含引用计数，当shared_ptr被拷贝的时候，引用计数增加，销毁的时候引用计数减少，当引用计数变为0的时候，资源被释放！

// 管理引用计数的类
class SharedCount
{
public:
    SharedCount() : count_{1} {};

    void add() { ++count_; }

    void minus() { --count_; }

    int get() const { return count_; }
private:
    std::atomic<int> count_;
};

// 智能指针类
template<typename T>
class SharedPtr
{
public:
    SharedPtr(T* ptr) : ptr_{ptr}, ref_count_{new SharedCount} {}

    SharedPtr() : ptr_{nullptr}, ref_count_{new SharedCount} {}

    // 拷贝构造函数
    SharedPtr(const SharedPtr& p)
    {
        this->ptr_ = p.ptr_;
        this->ref_count_ = p.ref_count_;
        ref_count_->add();
    }

    // 拷贝赋值函数
    SharedPtr& operator=(const SharedPtr& p)
    {
        if (&p == this) return *this;
        clean();
        this->ptr_ = p.ptr_;
        this->ref_count_ = p.ref_count_;
        ref_count_->add();
        return *this;
    }

    // 移动语义中，引用计数不变，同时清空原参数中的指针！
    // 移动构造函数
    SharedPtr(SharedPtr&& p)
    {
        this->ptr_ = p.ptr_;
        this->ref_count_ = p.ref_count_;
        p.ptr_ = nullptr;
        p.ref_count_ = nullptr;
    }

    // 移动赋值函数
    SharedPtr& operator=(SharedPtr && p)
    {
        if (&p == this) return *this;
        clean();
        this->ptr_ = p.ptr_;
        this->ref_count_ = p.ref_count_;
        p.ptr_ = nullptr;
        p.ref_count_ = nullptr;
        return *this;
    }

    ~SharedPtr { clean(); }
private:
    T* ptr_;
    SharedCount* ref_count_;

    // 引用计数减1，若最终引用计数减至0，则释放指针
    void clean()
    {
        if (ref_count_)
        {
            ref_count_->minus();
            if (ref_count_->get() == 0)
            {
                if (ptr_)
                    delete ptr_;
                delete ref_count_;
            }
        }
    }
};

shared_ptr的交叉引用问题

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class B; // 前置声明
class A
{
public:
    A() { cout << "A()" << endl; }
    ~A() { cout << "~A()" << endl; }
    shared_ptr<B> _ptrb;
};

class B
{
public:
    B() { cout << "B()" << endl; }
    ~B() { cout << "~B()" << endl; }
    shared_ptr<A> _ptra;
};

int main()
{
    shared_ptr<A> pa(new A());
    shared_ptr<B> pb(new B());

    pa->_ptrb = pb;
    pb->_ptra = pa;

    cout << pa.use_count() << endl;
    cout << pb.use_count() << endl;

    return 0;
}

• 以上代码输出A() B() 2 2，显然强智能指针管理的资源未能释放，这是因为程序结束时，强智能指针管理的资源计数-1不为0，因此无法释放。

weak_ptr解决交叉引用问题

shared_ptr交叉引用会导致new的资源无法释放，从而造成资源泄露问题！→ 注意到weak_ptr并不改变资源的引用计数，相当于”观察者“，故可以用weak_ptr解决交叉引用问题！

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class B;
class A
{
public:
    A() { cout << "A()" << endl; }
    ~A() { cout << "~A()" << endl; }
    weak_ptr<B> _ptrb; // 弱智能指针不会改变资源的引用计数
};

class B
{
public:
    B() { cout << "B()" << endl; }
    ~B() { cout << "~B()" << endl; }
    weak_ptr<A> _ptra; // 弱智能指针不会改变资源的引用计数
};

int main()
{
    shared_ptr<A> pa(new A());
    shared_ptr<B> pb(new B());
    
    pa->_ptrb = pb;
    pb->_ptra = pa;

    cout << pa.use_count() << endl;
    cout << pb.use_count() << endl;

    return 0;
}

weak_ptr调用其它类中的方法

实际场景中，利用弱智能指针的特性解决了资源泄露问题，但是类B想通过智能指针调用类A中的一个方法，并不能直接调用，因为弱智能指针weak_ptr只能观察资源，而无法使用资源。

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class B;
class A
{
public:
    A() { cout << "A()" << endl; }
    ~A() { cout << "~A()" << endl; }
    void testA() { cout << "testA()" << endl; }
    weak_ptr<B> _ptrb;
};

class B
{
public:
    B() { cout << "B()" << endl; }
    ~B() { cout << "~B()" << endl; }
    void func()
    {
        // _ptra->testA(); // 弱智能指针无法直接使用资源
        shared_ptr<A> ps = _ptra.lock(); // 提升方法
        if (ps != nullptr) // 提升成功！
        {
            ps->testA();
        }
    }
    weak_ptr<A> _ptra;
};

int main()
{
    shared_ptr<A> pa(new A());
    shared_ptr<B> pb(new B());

    pa->_ptrb = pb;
    pb->_ptra = pa;

    pb->func();

    cout << pa.use_count() << endl;
    cout << pb.use_count() << endl;

    return 0;
}