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C++智能指针学习——小谈引用计数

2024-04-07 23:04 由 paw5zx 发表于 #后端开发

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前言

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。
文章中尽可能的先阐述原理，然后再贴上代码。如果有不想看代码的，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、销毁，与控制块密切相关。

共享控制块

首先我们要知道，当创建一个std::shared_ptr指向某个对象时，会生成一个控制块来存储该对象的引用计数和其他管理信息。如果基于这个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。

示意图大概长这样：

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的核心实现，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<_Lp>。

//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.	
};

__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;
};

_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，表示有多少个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，表示有多少个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)
};

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继承自_Sp_counted_base，主要是使用默认的分配策略和删除策略管理资源对象。
  • _Sp_counted_deleter继承自_Sp_counted_base，主要是使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，所以使用的是其派生类_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，适合使用std::make_shared的场景，此处不过多讨论）

弱引用计数增加过程

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;

在__weak_count中并没有使用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来源就是__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

弱引用计数的增加可以分为下面几种情况:

  • 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()增加的弱引用计数，详情见__weak_count的源码：

//file: shared_ptr_base.h
template<_Lock_policy _Lp>
class __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<_Lp>& __r) noexcept
     : _M_pi(__r._M_pi)
    {
    	//若入参的多态指针不为空
        //弱引用计数++（增加_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<_Lp>& __r) noexcept
    {
    	_Sp_counted_base<_Lp>* __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<_Lp>* __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<_Lp>;
	_Sp_counted_base<_Lp>*  _M_pi;
};

引用计数增加过程

引用计数的增加可以分为下面几种情况:

  • 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增加的引用计数，详情见__shared_count的源码：

//file: shared_ptr_base.h
template<_Lock_policy _Lp>
class __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<_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;
	}
	
	//转换构造
	//weak_ptr使用lock()时会调用此构造函数
	explicit __shared_count(const __weak_count<_Lp>& __r) 
	 : _M_pi(__r._M_pi)
    {
    	if (_M_pi != nullptr)
			_M_pi->_M_add_ref_lock();//引用计数++，具体实现依赖于锁策略
      	else
			__throw_bad_weak_ptr();
    }
private:
	friend class __weak_count<_Lp>;
	_Sp_counted_base<_Lp>*  _M_pi;
};

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情况:

  • 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.h
template<_Lock_policy _Lp>
class __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<_Lp>& __r) noexcept
	{
    	_Sp_counted_base<_Lp>* __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<_Lp>* __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<_Lp>;
	_Sp_counted_base<_Lp>*  _M_pi;
};

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); 
}

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。通过分析_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();
	    }
    }
};

引用计数的减少过程

引用计数的减少可以分为下面几种情况:

  • 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.h
template<_Lock_policy _Lp>
class __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<_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;
	}
private:
	friend class __weak_count<_Lp>;
	_Sp_counted_base<_Lp>*  _M_pi;
};

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。通过分析_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();
          	}
        }
	}
};

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被销毁了，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)
};

在std::shared_ptr对象存在的情况下，所有相关std::weak_ptr对象被销毁后，控制块仍存在，且其中的弱引用计数为1，此时在销毁最后一个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，销毁控制块。

在std::weak_ptr对象存在的情况下，所有相关std::shared_ptr对象都被销毁后，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对象被销毁，控制块才会被销毁）

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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