C++智能指针shared_ptr与weak_ptr的实现分析

2022-11-13 16:11:42 shared 智能指针

shared_ptr

采取引用计数来表示一块内存被几个智能指针所共享，当引用计数为0时，会自动释放该内存，避免了忘记手动释放造成的内存泄露问题。采用引用计数来管理内存对象的做法是linux内核惯用的手法。

weak_ptr

weak_ptr 设计的目的是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作, 它只可以从一个 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。同时weak_ptr 没有重载*和->，但可以使用 lock 获得一个可用的 shared_ptr 对象（引用计数会增加1）。

内存模型

RefCnt 和 Mdel实现

template<typename _Ty>
class Mydeletor
{
public:
	Mydeletor() = default;
	void operator()(_Ty* p)const
	{
		if (p != NULL)
		{
			delete[]p;
		}
		p = NULL;
	}
};
template<typename _Ty>
class RefCnt
{
public:
	RefCnt(_Ty* p) :ptr(p), Uses(1), Weaks(0) 
    {
        cout <<"RefCnt construct"<<endl;
    }
	~RefCnt() {}
	void IncUses()
	{
		Uses += 1;
	}
	void IncWeaks()
	{
		Weaks += 1;
	}
protected:
	_Ty* ptr;
	std::atomic_int Uses;
	std::atomic_int Weaks;
	friend class M_shared_ptr<_Ty>;
	friend class M_weak_ptr<_Ty>;
};

shared_ptr 实现

template<typename _Ty,typename _De>
class M_shared_ptr
{
private:
	_Ty* Ptr;
	RefCnt<_Ty>* Ref;
	_De mdeletor;
public:
	M_shared_ptr(_Ty* p = nullptr) :Ptr(nullptr),Ref(nullptr)
	{
		if (p != nullptr)
		{
			Ptr = p;
			Ref = new RefCnt<_Ty>(p);
		}
	}
	M_shared_ptr(const M_shared_ptr& other):Ptr(other.Ptr),Ref(other.Ref)//拷贝构造
	{
		if (Ptr != NULL)
		{
			Ref->IncUses();
		}
	}
	M_shared_ptr(const M_weak_ptr<_Ty>& other):Ptr(other.GetRef()->ptr),Ref(other.GetRef())//用weak_ptr拷贝构造
	{
		if (Ptr != NULL)
		{
			Ref->IncUses();
		}
	}
	M_shared_ptr(M_shared_ptr&& other) :Ptr(other.Ptr), Ref(other.Ref)//移动构造
	{
		other.Ptr = NULL;
		other.Ref = NULL;
	}
	M_shared_ptr& operator=(const M_shared_ptr& other)//赋值
	{
		if (this == &other || Ptr == other.Ptr)  return *this;//自赋值，直接返回本身
		if (Ptr != NULL && --Ref->Uses == 0)//被赋值的智能指针对象拥有资源，
		{                                   //且该对象仅被该智能指针拥有
			mdeletor(Ptr);//释放该对象
			if (--Ref->Weaks == 0)//当弱引用计数为零时
			{
				delete Ref;//析构引用计数对象
				Ref = NULL;
			}
		}
		Ptr = other.Ptr;
		Ref = other.Ref;
		if (Ptr != NULL)
		{
			Ref->IncUses();
		}
		return *this;
	}
	M_shared_ptr& operator=(M_shared_ptr&& other)//移动赋值
	{
		if (this == &other)  return *this;
		if (Ptr == other.Ptr && Ptr != NULL)//当两个智能指针使用同一个对象时，且该对象不为空
		{
			other.Ptr = NULL;//去掉other的使用权
			other.Ref = NULL;
			Ref->Uses -= 1;//强引用计数-1
			return *this;
		}
		if (Ptr != NULL && --Ref->Uses == 0)
		{
			mdeletor(Ptr);
			if (--Ref->Weaks == 0)
			{
				delete Ref;
				Ref = NULL;
			}
		}
		Ptr = other.Ptr;
		Ref = other.Ref;
		other.Ptr = NULL;
		other.Ref = NULL;
		return *this;
	}
	~M_shared_ptr()
	{
		if (Ptr != NULL && --Ref->Uses == 0)
		{
			mdeletor(Ptr);
			if (--Ref->Weaks == 0)
			{
				delete Ref;
			}
		}
		Ref = NULL;
	}
	_Ty* get()const
	{
		return Ptr;
	}
	_Ty& operator*()
	{
		return *get();
	}
	_Ty* operator->()
	{
		return get();
	}
	size_t use_count()const
	{
		if (Ref == NULL)  return 0;
		return Ref->Uses;
	}
	void swap(M_shared_ptr& other)
	{
		std::swap(Ptr, other.Ptr);
		std::swap(Ref, other.Ref);
	}
	operator bool()const
	{
		return Ptr != NULL;
	}
	 friend class M_weak_ptr<_Ty>;
};

weak_ptr 实现

template<typename _Ty>
class M_weak_ptr
{
private:
	RefCnt<_Ty>* wRef;
public:
	size_t use_count()const
	{
		if (wRef == NULL)  return 0;
		return wRef->Uses;
	}
	size_t weak_count()const
	{
		if (wRef == NULL)  return 0;
		return wRef->Weaks;
	}
	RefCnt<_Ty>* GetRef() const
	{
		return wRef;
	}
	M_weak_ptr() :wRef(NULL) {}
	M_weak_ptr(const M_shared_ptr<_Ty>& other) :wRef(other.Ref)//共享指针构造
	{
		if (wRef!=NULL)
		{
			wRef->IncWeaks();
		}
	}
	M_weak_ptr(const M_weak_ptr& other) :wRef(other.wRef)//拷贝构造
	{
		if (wRef != NULL)
		{
			wRef->IncWeaks();
		}
	}
	M_weak_ptr(M_weak_ptr&& other) :wRef(other.wRef)//移动构造
	{
		other.wRef = NULL;
	}
	M_weak_ptr& operator=(const M_weak_ptr& other)
	{
		if (this == &other||wRef==other.wRef)  return *this;//自赋值或者是两个指针指向同一个对象
		if (this != NULL && --wRef->Weaks == 0)//是否自己独占对象
		{
			delete wRef;
		}
		wRef = other.wRef;
		if (wRef != NULL)
		{
			wRef->IncUses();
		}
		return *this;
	}
	M_weak_ptr& operator=(M_weak_ptr&& other)
	{
		//1 判断是否自赋值
		if (this == &other)  return *this;
		//2 判断是否是指向同一个对象的两个指针相互赋值
		if (wRef == other.wRef && wRef != NULL)//如果是
		{
			other.wRef = NULL;
			wRef->Weaks -= 1;
			return *this;
		}
		//3 两个指向不同对象的指针赋值
		if (this != NULL && --wRef->Weaks == 0)//是否自己独占对象
		{
			delete wRef;//如果独有
		}
		wRef = other.wRef;
		other.wRef = NULL;
		return *this;
	}
	M_weak_ptr& operator=(const M_shared_ptr<_Ty>& other)//共享智能指针给弱指针赋值
	{
		if (wRef == other.Ref)  return *this;

		if (wRef != NULL && --wRef->Uses == 0)
		{
			delete wRef;
		}
		wRef = other.Ref;
		if (wRef != NULL)
		{
			wRef->IncWeaks();
		}
		return *this;
	}
	M_weak_ptr& operator=( M_shared_ptr<_Ty>&& other) = delete;
	~M_weak_ptr()
	{
		if (wRef != NULL && --wRef->Weaks == 0)
		{
			delete wRef;
		}
		wRef = NULL;
	}
	bool expired()const//判断被引用的对象是否删除，若删除则返回真
	{
		return wRef->Uses == 0;
	}
	M_shared_ptr<_Ty> lock()const
	{
		M_shared_ptr<_Ty> tmp;
		tmp.Ptr = wRef->ptr;
		tmp.Ref = wRef;
		tmp.Ref->IncUses();
		return tmp;
	}
};

shared_from_this()

std::enable_shared_from_this 能让一个对象（假设其名为 t ，且已被一个 std::shared_ptr 对象 pt 管理）安全地生成其他额外的 std::shared_ptr 实例（假设名为 pt1, pt2, … ），它们与 pt 共享对象 t 的所有权。

使用原因：

1.把当前类对象作为参数传给其他函数时，为什么要传递share_ptr呢？直接传递this指针不可以吗？

一个裸指针传递给调用者，谁也不知道调用者会干什么？假如调用者delete了该对象，而share_tr此时还指向该对象。

2.这样传递share_ptr可以吗？share_ptr(this)

这样会造成2个非共享的share_ptr指向一个对象，最后造成2次析构该对象。

class T需要继承enable_shared_from_this才能使用shared_from_this()，具体源码如下：

namespace boost
{
template<class T> class enable_shared_from_this
{
protected:
    enable_shared_from_this()
    {
    }
    enable_shared_from_this(enable_shared_from_this const &)
    {
    }
    enable_shared_from_this & operator=(enable_shared_from_this const &)
    {
        return *this;
    }
    ~enable_shared_from_this()
    {
    }
public:
    shared_ptr<T> shared_from_this()
    {
        shared_ptr<T> p( weak_this_ );
        BOOST_ASSERT( p.get() == this );
        return p;
    }
    shared_ptr<T const> shared_from_this() const
    {
        shared_ptr<T const> p( weak_this_ );
        BOOST_ASSERT( p.get() == this );
        return p;
    }
public: // actually private, but avoids compiler template friendship issues
    // Note: invoked automatically by shared_ptr; do not call
    template<class X, class Y> void _internal_accept_owner( shared_ptr<X> const * ppx, Y * py ) const
    {
        if( weak_this_.expired() )
        {
           //shared_ptr通过拷贝构造一个临时的shared_ptr，然后赋值给weak_ptr
           weak_this_ = shared_ptr<T>( *ppx, py );
        }
    }
private:
    mutable weak_ptr<T> weak_this_;
};
} // namespace boost

template<class Y>
explicit shared_ptr( Y * p ): px( p ), pn( p ) // Y must be complete
{
    boost::detail::sp_enable_shared_from_this( this, p, p );
}
template< class X, class Y, class T > inline void sp_enable_shared_from_this( boost::shared_ptr<X> const * ppx, Y const * py, boost::enable_shared_from_this< T > const * pe )
{
    if( pe != 0 )
    {
      //调用 enable_shared_from_this对象的函数 
      pe->_internal_accept_owner( ppx, const_cast< Y* >( py ) );
    }
}

可见该类包含一个weak_ptr，并在shared_ptr构造时，将weak_ptr初始化。shared_from_this()返回一个用weak_ptr拷贝构造的shared_ptr（shared_ptr有此构造函数）。

为什么一定是weak_ptr,换成shared_ptr是否可以？

类内不能包含指向自身的shared_ptr ，否则它会无法析构。

#include <iOStream>
#include <memory>
class Demo
{
public:
    Demo()
    {
        std::cout << "constructor" << std::endl;
    }
    ~Demo()
    {
        std::cout << "destructor" << std::endl;
    }
    void StoreDemo(std::shared_ptr<Demo> ptr)
    {
        m_ptr = ptr;
    }
private:
    std::shared_ptr<Demo> m_ptr;
};
int main()
{
    std::shared_ptr<Demo> d_ptr(new Demo());
    d_ptr->StoreDemo(d_ptr); // this line is the bug
    return 0;
}

执行以上操作后d_ptr的引用计数变成2，因此当main结束时，无法执行其析构函数。

循环引用

如果两个类互相包含指向对方的shared_ptr，就会造成循环引用。导致引用计数失效，内存无法释放。

#include <iostream>
#include <memory>
class DemoB;
class DemoA
{
public:
	DemoA()
    {
		std::cout << "DemoA()" << std::endl;
    }
    ~DemoA()
    {
		std::cout << "~DemoA()" << std::endl;
    }
    void Set_Ptr(std::shared_ptr<DemoB>& ptr)
    {
		m_ptr_b = ptr;
    }
private:
    std::shared_ptr<DemoB> m_ptr_b;
};
class DemoB
{
public:
    DemoB()
    {
		std::cout << "DemoB()" << std::endl;
    }
    ~DemoB()
    {
		std::cout << "~DemoB()" << std::endl;
    }
    void Set_Ptr(std::shared_ptr<DemoA>& ptr)
    {
		m_ptr_a = ptr;
    }
private:
    std::shared_ptr<DemoA> m_ptr_a;
};
int main()
{
	std::shared_ptr<DemoA> ptr_a(new DemoA());
    std::shared_ptr<DemoB> ptr_b(new DemoB());
    ptr_a->Set_Ptr(ptr_b);
    ptr_b->Set_Ptr(ptr_a);
    std::cout << ptr_a.use_count() << " " << ptr_b.use_count() << std::endl;
	return 0;
}

这种情况下 A、B的引用计数都是2，因此无法析构。

解决该问题，需要将其中一个类的shared_ptr换成weak_ptr。

到此这篇关于c++智能指针shared_ptr与weak_ptr的实现分析的文章就介绍到这了,更多相关C++ shared_ptr与weak_ptr内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！

相关文章