智能指针剖析

Posted 2020-08-25 qqwx

1. auto_ptr

已经废弃。原因是它行为上是"排它性"指针，但又允许编译器实现拷贝操作，拷贝后的右值会被赋空。即将“传递”语义掩盖在“拷贝”动作之下。

即a=b时，作为右值的b的物理指针会是NULL。

会造成使用它的容器混乱。

这是典型的设计缺陷。既然是“传递”语义，就不应以“拷贝"形式出现。

另一方面，它对于数组的指针也支持不好，无法完成new []和delete []的配对。

 

2. unique_ptr

这是对auto_ptr的“传递”语义的正确实现。从语言层面来保证不出现“拷贝”动作。

 

 1 typedef std::unique_ptr<int> unique_t;
 2 typedef std::vector< unique_t > vector_t;
 3 
 4 vector_t vec1;                           // fine
 5 vector_t vec2(5, unique_t(new Foo));     // Error (Copy)
 6 vector_t vec3(vec1.begin(), vec1.end()); // Error (Copy)
 7 vector_t vec3(make_move_iterator(vec1.begin()), make_move_iterator(vec1.end()));
 8     // Courtesy of sehe
 9 
10 std::sort(vec1.begin(), vec1.end()); // fine, because using Move Assignment Operator
11 
12 std::copy(vec1.begin(), vec1.end(), std::back_inserter(vec2)); // Error (copy)

 

3. shared_ptr

不像之前的unique_ptr，shared_ptr重点在于shared，即为了多个指针指向同一对象而生。同时，又在原生指针基础之上，加了引用计数。在如a=b的场景下，会自动增减引用的计数。如a如果原来指向一个对象，则由于此赋值动作，原先被指向的对象计数要减1，同时，b指向的对象计数要加1。

 

引用计数通过如下图的control block表示，总的的内存分配：

 

可见：

- shared_ptr占用空间是正常指针的两倍；

- control block记录了引用计数，同时还有其他的一些自定义的deleter等。

 

control block本身也是动态分配的，它在如make_shared，或由unique_ptr、raw ptr初始化时创建。

为此，要避免对于raw指针，多次重复创建shared_ptr，导致同一个object多个control block的情况。这会引起重复析构！

分以下情况避免：

如果由于需要定制化的deleter而不得不使用new时，要将其写在一行语句中。

1 std::shared_ptr<Widget> spw1(new Widget, xxxDel);

这样。

 

对于有的需要this指针的场合，有专门的语言层面解决方法：enable_shared_from_this，但需要调用前本对象已经有control block，即已经有shared_ptr指向本身。所以一般用在工厂模式中。

 

 

衡量下control block的具体开销：

1. 大小，如上所述指针的大小外，本身的大小不会太大，一般也就3个字长；
2. 解引用开销：可见，解引用是无额外开销的；
3. 引用计数：原子操作的开销，与具体机器有关，但往往也是一条指令完成；
4. 它内部还存在虚函数的调用。

 

如果对开销敏感，同时又需要“execlusive"语义，unique_ptr才是选择。unique还支持对[]T的指针，虽然没啥用。unique_ptr它可以转成shared_ptr，但反过来不行。

 

4.   weak_ptr

weak_ptr纯粹是作为shared_ptr的补充而存在。它不能解引用，不能判空，生命周期开始之初就需要与shared_ptr共存（只有通过shared_ptr才能初始化）。

它的作用是，在不占用shared_ptr引用计数的同时，判断出一个对象是否销毁。即判断shared_ptr中的引用计数是否为0了。（dangle指针）。这种状态对于weak_ptr来说有个专有名词，叫做expired。

 

这种检查有两种形式：

a. 通过weak_ptr的lock()，“原子性”的判断是否expired，如果是，返回shared_ptr，否则返回空；

b. 直接用来初始化一个shared_ptr，如果expired，则异常。

 

应用场景：

1. 是可用于像观察者模式这种，需要持有某对象的指针，但这个“持有”动作并不应影响对象的生命周期。（观察者是否销毁不应由持有指针的subject影响）；另一方面，subject又需要知道observer是否存活，这种情况，需要shared_ptr加weak_ptr的配合；
2. 有一种场景，A与B需要互相持有对方指针，如果是shared_ptr，则会出现java式“内存泄漏”。需要用weak_ptr破除这种环形引用。

 

 

5. 初始化与control block

使用new与使用make_shared初始化的区别：

- 需要明确的是，control block也是需要动态申请的内存。 make_shared时，可能会对shared_ptr的对象的内存与control block的内存一起申请。会在内存对齐，申请速度上有优势；

- 另一方面，new与shared_ptr两者分开进行时，如果编译器在new与shared_ptr初始化过程中，优化插入了一些可能抛出异常的代码，则会有内存泄漏。

 

- 但，在需要定制化deleter时，也需要new，这种代码要小心，写成异常安全的；

- 在构造函数初始化时，有传入{}和()的区别，特别对于如vector这种object，如果使用make_shared，要注意默认传的是()。即：

     auto p = std::make_shared<std::vector<int> >(10, 20);

  这种代码，到底是初始化了一个vecotr包含10， 20两个数字，还是10个元素的vector每一个都是20？

- 最需要理解的一点：如果是make_shared出来的内存，由于control block与object内存是绑定一起申请的，那么也要一起释放。而control block中，引用计数的值不仅shared_ptr会看，weak_ptr也会看。这样即使对象没有引用，引用计数为0了，但如果有weak_ptr存在，这control block就不能释放（要给weak_ptr判断用）。control block中的weak_counter就是记录weak_ptr的引用计数的。这在极端情况下，可能会造成一些影响。