【C++】share_ptr详解

一、share_ptr 的简单使用

1.1、基本用法

从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。

智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。

智能指针的行为类似于一个常规指针，与常规指针之间重要的区别就是它负责自动释放所管理的资源，share_ptr 使用引用计数，允许多个 share_ptr 指向同一资源，每多一个 share_ptr 指向该资源，share_ptr 的引用计数就 +1 ，减为0时表示没有 share_ptr 对该资源进行引用了，就会释放所指向的资源。share_ptr 内部中的引用计数是线程安全的，但是引用的资源不是线程安全的。

1.2、初始化

裸指针直接初始化，但不能通过隐式转换来构造，因为 share_ptr 构造函数被声明为 explicit
允许移动构造与拷贝构造
通过 make_share 构造

#include <iostream>
#include <memory>class test {};int main()
{std::shared_ptr<test> f(new test());              // 裸指针直接初始化//std::shared_ptr<test> f1 = new test();            // Error，explicit禁止隐式初始化std::shared_ptr<test> f2(f);                       // 拷贝构造函数std::shared_ptr<test> f3 = f;                      // 拷贝构造函数f2 = f;                                             // copy赋值运算符重载std::cout << f3.use_count() << " " << f3.unique() << std::endl;std::shared_ptr<test> f4(std::move(new test()));        // 移动构造函数//std::shared_ptr<test> f5 = std::move(new test());       // Error，explicit禁止隐式初始化std::shared_ptr<test> f6(std::move(f4));                 // 移动构造函数std::shared_ptr<test> f7 = std::move(f6);                // 移动构造函数std::cout << f7.use_count() << " " << f7.unique() << std::endl;std::shared_ptr<test[]> f8(new test[10]());             // Error，管理动态数组时，需要指定删除器std::shared_ptr<test> f9(new test[10](), std::default_delete<test[]>());auto f10 = std::make_shared<test>();               // std::make_shared来创建return 0;
}

在初始化上 share_ptr 与 unique_ptr 在初始化上的方式就有区别，二者都不支持隐式初始化，但是 unque_ptr 不支持拷贝构造和拷贝赋值，而 share_ptr 则都支持。

1.3、删除器

删除器可以是普通函数、函数对象和 lambda 表达式等，默认的删除器为 std::default_delete ,内部是使用 delete 来实现的，与 unique_ptr 不同，删除器不是 share_ptr 类型的组成部分，也就是说两个 sptr1，sptr2 有不同的删除器，但只要它们的类型是相同的都可以被放入同一容器中。此外，在动态管理数组的时候，share_ptr 需要指定删除器。智能指针的大小与被引用的资源的大小是无关的，因为智能指针是也是通过指针来对该资源进行访问，而不是存储在智能指针内部。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>class Frame {};int main()
{auto del1 = [](Frame* f){std::cout << "delete1" << std::endl;delete f;};auto del2 = [](Frame* f){std::cout << "delete2" << std::endl;delete f;};std::shared_ptr<Frame> f1(new Frame(), del1);std::shared_ptr<Frame> f2(new Frame(), del2);std::unique_ptr<Frame, decltype(del)> f3(new Frame(), del);std::vector<std::shared_ptr<Frame> > v;v.push_back(f1);v.push_back(f2);return 0;
}

二、剖析 share_ptr

2.1、share_ptr 的内存模型

share_ptr 的内存模型长这样（直接使用的陈硕大神的图）

将其简化只剩下引用计数与原始指针后长这样：

从图中我们可以看出，share_ptr 包含了一个指向对象的指针和一个指向控制块的指针。每一个由share_ptr 管理的对象都有一个控制块，除了包含强引用计数、弱引用技术之外，还包含了自定义删除器的副本和分配器的副本以及其他附加数据。

2.2、控制块的创建规则

std::make_shared 总是创建一个控制块
从具备所有权的指针触发构造一个 share_ptr 的时候，会创建一个控制块（比如 unique_ptr 在转换成 share_ptr 的时候会创建控制块，因为 unique_ptr 本身不使用控制块，同时 unique_ptr 置空）
当 share_ptr 构造函数使用裸指针作为实参时，会创建一个控制块（也就是说，从同一个裸指针出发构造多个 share_ptr 的时候会创建多个控制块，这也就意味着裸指针可能会被释放多次。如果想从一个已经拥有控制块的对象出发创建一个 share_ptr ，此时我们就可以传递一个 share_ptr 或 weak_ptr 而非裸指针作为构造函数的参数，这样就不会创建新的控制器）

因此，尽可能避免将裸指针传递给 share_ptr 的一个有效的办法是 make_shared。如果必须将一个裸指针作为参数传入到 share_ptr 的构造函数，就直接传递 new 运算符运算的结果而非传递一个裸指针。

2.3、尽量使用 make 函数

make_shared 内部是通过调用 allocate_shared 来进行实现的，与 new 相比，make 系列函数的优势：
避免代码冗余，创建智能指针的时候，被创建的对象只需要写一次，如 make_shared，而用 new 来进行创建智能指针的时候需要写两次。
异常安全性，make 系列函数可编写异常安全代码，增强了安全性

使用 make 函数与使用 new 进行构造的 share_ptr 内存布局如下：

make 系列函数的局限性：

所有的 make 系列函数都不允许自定义删除器
make 系列函数创建对象时，不能接受{}初始化列表（这是因为完美转发的转发函数是一个模板函数，利用模板类型进行推导。因此无法把{}推导为 initializer_list）也就是说，make 系列只能将圆括号内的参数进行转发
自定义内存管理的类（如重载了 operator new 和 operator delete）不建议使用 make_shared 来创建，因为重载 operator new 和 operator delete 时，往往用来分配和释放该类精确尺寸的内存块，而 make_shared 创建的 shared_ptr，是一个自定义了分配器 (allocate_shared) 和删除器的智能指针，由 allocate_shared 分配的内存大小也不等于上述的尺寸，而是在此基础上加上控制块的大小
对象的内存可能无法及时回收。因为：make_shared 只分配一次内存，减少了内存分配的开销，使得控制块和托管对象在同一内存块上分配。而控制块是由 shared_ptr 和 weak_ptr 共享的，因此两者共同管理着这个内存块（托管对象 + 控制块）。当强引用计数为 0 时，托管对象被析构（即析构函数被调用），但内存块并未被回收，只有等到最后一个 weak_ptr 离开作用域时，弱引用也减为 0 才会释放这块内存块。原本强引用减为 0 时就可以释放的内存, 现在变为了强引用和弱引用都减为 0 时才能释放, 意外的延迟了内存释放的时间。这对于内存要求高的场景来说，是一个需要注意的问题。

2.4、引用计数

shared_ptr 中的引用计数直接关系到何时是否进行对象的析构，因此它的变动变得尤为重要
shared_ptr 的构造函数会使该引用计数递增，而析构函数则会使得引用计数递减。但移动构造表示从一个已有的 shared_ptr 移动构造到另一个新的 shared_ptr ，这意味着一旦新的 shared_ptr 产生后，原有的 shared_ptr 就会被置空，结果就是引用计数没有变化。
拷贝赋值构造同时执行两种操作如（例如 p1 和 p2 是指向不同对象的 shared_ptr ，则执行 p1 = p1 时，将修改 p1 使得其指向 p2 所值的对象，而最初 p1 所指向的对象的引用计数递减，同时 p2 所指向的对象引用计数递增）
reset 函数，如果不带参数时，则引用计数减 1。如果带参数时，如 sp.reset(p) 则 sp 原来指向的对象引用计数减 1 ，同时 sp 指向新的对象 p。
如果实施一次递减后，最后的引用计数变为 0 ，即不再有 shared_ptr 指向该对象，则会被 shared_ptr 析构掉。

需要注意的是：引用计数本身是安全且无锁的，但对象的读写则不是。

2.5、this 返回 shared_ptr

不要将 this 指针返回给 shared_ptr。当希望将 this 指针托管给 shared_ptr 时，类需要继承自 std::enable_shared_from_this ，并且从 shared_from_this() 中获得 shared_ptr 指针。

#include <iostream>
#include <memory>class Frame {public:std::shared_ptr<Frame> GetThis() {return std::shared_ptr<Frame>(this);}
};int main()
{std::shared_ptr<Frame> f1(new Frame());std::shared_ptr<Frame> f2 = f1->GetThis();std::cout << f1.use_count() << " " << f2.use_count() << std::endl;std::shared_ptr<Frame> f3(new Frame());std::shared_ptr<Frame> f4 = f3;std::cout << f3.use_count() << " " << f4.use_count() << std::endl;return 0;
}

运行结果：

此时就很奇怪，GetThis() 返回的不是 f1 本身嘛？而为什么 f2 和 f4 的结果就有这样的区别呢？

其实，直接从 this 指针创建，会为 this 对象创建新的控制块，也就相当于从裸指针重新创建一个新的控制块。

为了解决这个问题，标准库提供了解决方法：让类派生于一个模板类：enable_shared_from_this<T>，然后调用 shared_from_this 函数即可

通过调用 shared_from_this 成员函数获得一个和this指针指向相同对象的shared_ptr。

class Frame : public std::enable_shared_from_this<Frame> {public:std::shared_ptr<Frame> GetThis() {return shared_from_this();}
};

原理：

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, typename _Tp2>friend void __enable_shared_from_this_helper(const __shared_count<>&,const enable_shared_from_this<_Tp1>*,const _Tp2*) noexcept;mutable weak_ptr<_Tp>  _M_weak_this;
};

可以看到 enable_shared_from_this 模板类提供两个 public 属性的 shared_from_this 成员函数。这两个成员函数内部会通过 _M_weak_this 成员来创建 shared_ptr 。其中 _M_weak_assign 函数不能手动调用，这个函数会被 shared_ptr 自动调用，用处是来初始化唯一的成员变量 _M_weak_this 。

分析：根据对象生成顺序，先初始化基类 enable_shared_from_this ，再初始化派生类 Frame 对象本身，这时 Frame 对象已经生成，但 _M_weak_this 成员还未被初始化，最后应通过 shared_ptr<T> sp(new T()) 等方式调用 shared_ptr 构造函数（内部会调用 _M_weak_assign 成员函数来初始化 _M_weak_this 成员）。而如果在调用 shared_from_this 函数之前 weak_this_ 成员未被初始化，则会通过 ASSERT 报错显示。

更深层次：这个 enable_shared_from_this 中有一个弱指针 weak_ptr ，这个弱指针能够监视 this 指针，在调用 shared_from_this 这个函数时，这个函数内部实际上是调用 weak_ptr 的 lock 方法，lock() 会让 shared_ptr 指针计数 +1，同时返回这个 shared_ptr。

参考：

第21课 shared_ptr共享型智能指针 - 浅墨浓香 - 博客园 (cnblogs.com)

【C++】shared_ptr共享型智能指针详解-CSDN博客