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标题: C++智能指针学习——小谈引用计数 [打印本页]

作者: 我可以不吃啊 时间: 2024-5-16 15:09
标题: C++智能指针学习——小谈引用计数
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本文结合源码讨论std::shared_ptr和std::weak_ptr的部分底层实现，然后讨论引用计数，弱引用计数的创建和增减。
文章中尽可能的先叙述原理，然后再贴上代码。假如有不想看代码的，直接略过代码即可。
本文涉及的源码均出自gcc 9.4.0版本
控制块简介

控制块是shared_ptr和weak_ptr中的重要组成，主要用于管理资源的引用计数和生命周期。这个机制允许智能指针安全地共享和管理同一个对象，同时自动释放不再需要的资源。
控制块包含以下部分：

引用计数
弱引用计数
分配器
删除器

本文讨论的引用计数和弱引用计数的创建、加减、烧毁，与控制块密切相干。
共享控制块

起首我们要知道，当创建一个std::shared_ptr指向某个对象时，会天生一个控制块来存储该对象的引用计数和其他管理信息。假如基于这个std::shared_ptr再创建一个或多个std::weak_ptr，那么这些std::weak_ptr将也指向这个控制块。
表示图大概长如许：

引用计数与弱引用计数创建过程

在谈引用计数和弱引用计数的创建时，其实就是讨论控制块的创建。
我们知道std::weak_ptr是被设计用来解决std::shared_ptr智能指针可能导致的循环引用问题。一个有效的std::weak_ptr对象一般是通过std::shared_ptr构造的或者是通过拷贝（移动）其他std::weak_ptr对象得到的，std::weak_ptr对象的构造不涉及控制块的创建。
因此在讨论引用计数、弱引用计数的创建时，我们是去分析std::shared_ptr的源码
__shared_ptr

__shared_ptr是std::shared_ptr的焦点实现，它位于shared_ptr_base.h中。
__shared_ptr在构造实例时都会构造一个_M_refcount，它的类型为__shared_count。

//file: shared_ptr_base.h
template<typename _Tp, _Lock_policy _Lp>
class __shared_ptr : public __shared_ptr_access<_Tp, _Lp>
{
public:
using element_type = typename remove_extent<_Tp>::type;
//默认构造
constexpr __shared_ptr() noexcept
: _M_ptr(0), _M_refcount()
{ }
...
//有删除器和分配器的构造
template<typename _Yp, typename _Deleter, typename _Alloc,
typename = _SafeConv<_Yp>>
__shared_ptr(_Yp* __p, _Deleter __d, _Alloc __a)
: _M_ptr(__p), _M_refcount(__p, std::move(__d), std::move(__a))
{
static_assert(__is_invocable<_Deleter&, _Yp*&>::value,
"deleter expression d(p) is well-formed");
_M_enable_shared_from_this_with(__p);
}
private:
...
element_type* _M_ptr; // Contained pointer.
__shared_count<_Lp> _M_refcount; // Reference counter.
};

复制代码

__shared_count

在创建__shared_count对象时，也会创建一个对应的控制块（_Sp_counted_base的派生类的实例），用于管理__shared_ptr所指向的资源。__shared_count通过指向这个控制块的多态指针来管理引用计数和资源。
代码中的_Sp_counted_ptr和_Sp_counted_deleter就是_Sp_counted_base的派生类。

//file: shared_ptr_base.h
template<_Lock_policy _Lp>
class __shared_count
{
public:
//默认构造
__shared_count(_Ptr __p) : _M_pi(0)
{
__try
{
_M_pi = new _Sp_counted_ptr<_Ptr, _Lp>(__p);
}
__catch(...)
{
delete __p;
__throw_exception_again;
}
}
//带分配器和删除器的构造
template<typename _Ptr, typename _Deleter, typename _Alloc,
typename = typename __not_alloc_shared_tag<_Deleter>::type>
__shared_count(_Ptr __p, _Deleter __d, _Alloc __a) : _M_pi(0)
{
typedef _Sp_counted_deleter<_Ptr, _Deleter, _Alloc, _Lp> _Sp_cd_type;
__try
{
typename _Sp_cd_type::__allocator_type __a2(__a);
auto __guard = std::__allocate_guarded(__a2);
_Sp_cd_type* __mem = __guard.get();
::new (__mem) _Sp_cd_type(__p, std::move(__d), std::move(__a));
_M_pi = __mem;
__guard = nullptr;
}
__catch(...)
{
__d(__p); // Call _Deleter on __p.
__throw_exception_again;
}
}
private:
friend class __weak_count<_Lp>;
_Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;
};

复制代码

_Sp_counted_base

_Sp_counted_base负责管理引用计数和弱引用计数，其中

_M_use_count是shared_ptr的计数，就是引用计数，表现有多少个shared_ptr对象共享同一个内存资源。
_M_weak_count是weak_ptr的计数，也就是弱引用计数，表现有多少个weak_ptr对象引用同一个资源。

我们可以看到在_Sp_counted_base的初始化列表中，初始化了_M_use_count和_M_weak_count为1，完成了引用计数和弱引用计数的创建和初始化。

//file: 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) { }
...
private:
_Atomic_word _M_use_count; // #shared
_Atomic_word _M_weak_count; // #weak + (#shared != 0)
};

复制代码

这里再简单提一下_Sp_counted_base、_Sp_counted_ptr和_Sp_counted_deleter的关系与各自的功能。

_Sp_counted_base是一个抽象基类，定义并管理了引用计数与弱引用记数。
_Sp_counted_ptr继续自_Sp_counted_base，主要是利用默认的分配计谋和删除计谋管理资源对象。
_Sp_counted_deleter继续自_Sp_counted_base，主要是利用用户提供的分配器和删除器管理资源对象。

因为_Sp_counted_base是抽象基类无法被实例化，以是利用的是其派生类_Sp_counted_ptr和_Sp_counted_deleter对象来管理引用计数、弱引用计数、分配器、删除器。这个对象就是我们常说的控制块。
（_Sp_counted_base还有一个派生类_Sp_counted_ptr_inplace，适合利用std::make_shared的场景，此处不外多讨论）
弱引用计数增长过程

再谈共享控制块

在上面的引用计数与弱引用计数创建过程中，我们提到：

一个有效的std::weak_ptr对象一般是通过std::shared_ptr构造的或者是通过拷贝（移动）其他std::weak_ptr对象得到的

对应的__weak_count和__shared_count对象也具有上述关系。
查看源码，我们可以发现，__weak_count和__shared_count都有一个指向控制块的多态指针。

_Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;

复制代码

在__weak_count中并没有利用new或者类似操作让_M_pi指向一块新的内存（控制块）。追根溯源，__weak_count中多态指针指向的控制块的泉源就是__shared_count。代码中是通过在__weak_count构造函数和重载的赋值运算符中给多态指针_M_pi初始化和赋值实现的。以此实现了weak_ptr和shared_ptr共享控制块的功能。
__weak_count

弱引用计数的增长可以分为下面几种环境:

通过std::shared_ptr构造std::weak_ptr
通过std::weak_ptr构造std::weak_ptr
通过std::shared_ptr给std::weak_ptr赋值
通过std::weak_ptr给std::weak_ptr赋值

其实本质是靠调用_M_weak_add_ref()增长的弱引用计数，详情见__weak_count的源码：

//file: shared_ptr_base.htemplateclass __weak_count{public: ... //通过__shared_count构造 //和一个已存在的__shared_count对象共享控制块，并更新控制块的弱引用计数 __weak_count(const __shared_count& __r) noexcept : _M_pi(__r._M_pi) { //若入参的多态指针不为空 //弱引用计数++（增长_Sp_counted_base对象的_M_weak_count） if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_add_ref(); } //通过__weak_count拷贝构造 //和传入的__weak_count对象就共享同一个控制块，并更新控制块的弱引用计数 __weak_count(const __weak_count& __r) noexcept : _M_pi(__r._M_pi) { if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_add_ref(); } //通过__shared_count给__weak_count赋值 __weak_count& operator=(const __shared_count& __r) noexcept { _Sp_counted_base* __tmp = __r._M_pi; //新对象弱引用计数++ if (__tmp != nullptr) __tmp->_M_weak_add_ref(); //原对象弱引用计数-- if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release(); //指向新对象的控制块 _M_pi = __tmp; return *this; } //通过__weak_count给__weak_count赋值 __weak_count& operator=(const __weak_count& __r) noexcept { _Sp_counted_base* __tmp = __r._M_pi; if (__tmp != nullptr) __tmp->_M_weak_add_ref(); if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release(); _M_pi = __tmp; return *this; } ...private: friend class __shared_count; _Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;};

复制代码

引用计数增长过程

引用计数的增长可以分为下面几种环境:

通过std::shared_ptr构造std::shared_ptr
通过std::shared_ptr给std::shared_ptr赋值
std::weak_ptr升级为std::shared_ptr

本质是靠调用_M_add_ref_copy()和_M_add_ref_lock增长的引用计数，详情见__shared_count的源码：

//file: shared_ptr_base.htemplateclass __shared_count{public: //拷贝构造 __shared_count(const __shared_count& __r) noexcept : _M_pi(__r._M_pi) { if (_M_pi != 0) _M_pi->_M_add_ref_copy(); } //拷贝赋值 __shared_count& operator=(const __shared_count& __r) noexcept { _Sp_counted_base* __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; } //转换构造 //weak_ptr利用lock()时会调用此构造函数 explicit __shared_count(const __weak_count& __r) : _M_pi(__r._M_pi) { if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_add_ref_lock();//引用计数++，具体实现依赖于锁计谋 else __throw_bad_weak_ptr(); }private: friend class __weak_count; _Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;};

复制代码

弱引用计数的减少过程

弱引用计数的减少可以分为下面几种环境:

std::weak_ptr析构
std::weak_ptr对象被覆盖（赋值操作覆盖原std::weak_ptr）

本质是靠调用_M_weak_release()减少弱引用计数：

//file: shared_ptr_base.htemplateclass __weak_count{public: //析构 ~__weak_count() noexcept { if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release(); } //转换赋值 __weak_count& operator=(const __shared_count& __r) noexcept { _Sp_counted_base* __tmp = __r._M_pi; if (__tmp != nullptr) __tmp->_M_weak_add_ref(); if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release(); _M_pi = __tmp; return *this; } //拷贝赋值 __weak_count& operator=(const __weak_count& __r) noexcept { _Sp_counted_base* __tmp = __r._M_pi; if (__tmp != nullptr) __tmp->_M_weak_add_ref(); if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release(); _M_pi = __tmp; return *this; } //移动赋值 __weak_count& operator=(__weak_count&& __r) noexcept { if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release(); _M_pi = __r._M_pi; __r._M_pi = nullptr; return *this; }private: friend class __shared_count; _Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;};

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然后在这里对std::weak_ptr::reset()说明一下：它是用来重置 std::weak_ptr 的。调用 reset() 会使std::weak_ptr不再指向它原本观察的对象。
它也会减少原对象的弱引用计数（本质是通过调用的析构函数使得弱引用计数减少）

//file: shared_ptr_base.h
void reset() noexcept
{
__weak_ptr().swap(*this);
}

复制代码

弱引用计数减为0

在上面提到：弱引用计数的减少是通过调用_M_weak_release()实现的。通太过析_M_weak_release()的代码我们可以知道，_M_weak_release()中主要做了：

对弱引用计数做减1操作并
判断弱引用计数减1后是否为0，若为0则调用_M_destroy()删除控制块。

//file: shared_ptr_base.h
template<_Lock_policy _Lp = __default_lock_policy>
class _Sp_counted_base : public _Mutex_base<_Lp>
{
//控制块的弱引用计数为0时，销毁自身
virtual void _M_destroy() noexcept
{ delete this; }
//弱引用计数--
//当弱引用计数变为0，销毁控制块
void _M_weak_release() noexcept
{
// Be race-detector-friendly. For more info see bits/c++config.
_GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_weak_count);
//减少弱引用计数，并返回-1之前的值
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)
{
// See _M_release(),
// destroy() must observe results of dispose()
__atomic_thread_fence (__ATOMIC_ACQ_REL);
}
_M_destroy();
}
}
};

复制代码

引用计数的减少过程

引用计数的减少可以分为下面几种环境:

std::shared_ptr析构
std::shared_ptr对象被覆盖（赋值操作覆盖原std::shared_ptr）

本质是靠调用_M_release()减少弱引用计数

//file: shared_ptr_base.htemplateclass __shared_count{public: //析构 ~__shared_count() noexcept { if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_release(); } //拷贝赋值 __shared_count& operator=(const __shared_count& __r) noexcept { _Sp_counted_base* __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; }private: friend class __weak_count; _Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;};

复制代码

引用计数减为0

上面提到：引用计数的减少是通过调用_M_release()实现的。通太过析_M_release()的代码我们可以知道，_M_release()中主要做了

对引用计数做减1操作并
判断引用计数减1后是否为0，若为0则调用_M_dispose()释放其所管理的内存资源
若引用计数减1后为0，则还会对弱引用计数做一次减1操作并
判断弱引用计数减1后是否为0，若为0则调用_M_destroy()删除控制块。

//file: shared_ptr_base.h
template<_Lock_policy _Lp = __default_lock_policy>
class _Sp_counted_base : public _Mutex_base<_Lp>
{
//当前对象的引用计数为0时，释放管理的资源
//纯虚函数，取决于释放策略，由派生类实现
virtual void _M_dispose() noexcept = 0;
//当前对象的弱引用计数为0时，销毁自身
virtual void _M_destroy() noexcept
{ delete this; }
void _M_release() noexcept
{
// Be race-detector-friendly. For more info see bits/c++config.
_GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_use_count);
//减少引用计数，并返回-1之前的值
//如果引用计数为0，则释放管理的资源
if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_use_count, -1) == 1)
{
_GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_use_count);
_M_dispose();
// There must be a memory barrier between dispose() and destroy()
// to ensure that the effects of dispose() are observed in the
// thread that runs destroy().
// See http://gcc.gnu.org/ml/libstdc++/2005-11/msg00136.html
if (_Mutex_base<_Lp>::_S_need_barriers)
{
__atomic_thread_fence (__ATOMIC_ACQ_REL);
}
// Be race-detector-friendly. For more info see bits/c++config.
_GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_weak_count);
//减少弱引用计数，并返回-1之前的值
//如果弱引用计数为0，则销毁控制块自身
if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_weak_count, -1) == 1)
{
_GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_weak_count);
_M_destroy();
}
}
}
};

复制代码

这里再说明一下为什么__shared_count要在引用计数减为0时还要对弱引用计数做减1操作：
在__shared_count构造的同时，也会构造一个控制块对象，其中引用计数和弱引用计数一同被初始化为1。这意味着，即使最后一个std::weak_ptr被烧毁了，但若其对应的std::shared_ptr还至少存在一个，那么弱引用计数就不会被减少至0（代码中的注释也是这么提示的）。

//file: shared_ptr_base.h
template<_Lock_policy _Lp = __default_lock_policy>
class _Sp_counted_base : public _Mutex_base<_Lp>
{
_Atomic_word _M_use_count; // #shared
_Atomic_word _M_weak_count; // #weak + (#shared != 0)
};

复制代码

在std::shared_ptr对象存在的环境下，所有相干std::weak_ptr对象被烧毁后，控制块仍存在，且其中的弱引用计数为1，此时在烧毁最后一个std::shared_ptr对象时，除了要减少引用计数为0，释放管理的内存资源，还要把最后一个弱引用计数减少为0，烧毁控制块。
在std::weak_ptr对象存在的环境下，所有相干std::shared_ptr对象都被烧毁后，①std::shared_ptr管理的内存资源会被释放（因为引用计数为0，_M_dispose()被调用）②弱引用计数不为0，控制块仍然存在（直到最后一个std::weak_ptr对象被烧毁，控制块才会被烧毁）
参考文章

1.C++2.0 shared_ptr和weak_ptr深入刨析
2.智能指针std::weak_ptr

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