shared_ptr的内部实现原理_shared_ptr 原理

    本文先分析shared_ptr的内部实现原理，然后实例演示shared_ptr的使用。

1. 实现原理

    shared_ptr的定义如下：

template<class _Ty>
class shared_ptr : public _Ptr_base<_Ty>

    shared_ptr从基类_Ptr_base 继承了如下成员变量（部分源码）：

template<class _Ty>
class _Ptr_base
{
private:
    element_type * _Ptr{ nullptr };      //指向资源
    _Ref_count_base * _Rep{ nullptr };   //指向资源引用计数
}

   其中，_Ptr指向资源，_Rep指向资源引用计数。

    _Ref_count_base的定义如下：

class __declspec(novtable) _Ref_count_base
{	// common code for reference counting
private:
	_Atomic_counter_t _Uses;   //记录了引用资源的shared_ptr的个数
	_Atomic_counter_t _Weaks;  //记录了weak_ptr的个数
}

    其中，Uses记录了资源的引用计数，也就是引用资源的shared_ptr 的个数；_Weaks记录了weak_ptr的个数，相当于资源观察者的个数。

    shared_ptr的构造函数定义如下：

template<class _Ux,
    enable_if_t<conjunction_v<conditional_t<is_array_v<_Ty>, _Can_array_delete<_Ux>, _Can_scalar_delete<_Ux>>,
    _SP_convertible<_Ux, _Ty>>, int> = 0>
    explicit shared_ptr(_Ux * _Px)
{	// construct shared_ptr object that owns _Px
    _Setp(_Px, is_array<_Ty>{});
}
 
 
template<class _Ux>
void _Setp(_Ux * _Px, false_type)
{	// take ownership of _Px
    _TRY_BEGIN	// allocate control block and set
        _Set_ptr_rep_and_enable_shared(_Px, new _Ref_count<_Ux>(_Px));
    _CATCH_ALL	// allocation failed, delete resource
        delete _Px;
    _RERAISE;
    _CATCH_END
}

    shared_ptr的构造函数中会开辟新的引用计数的资源。

    shared_ptr的拷贝构造函数定义如下：

shared_ptr(const shared_ptr& _Other) noexcept
{	// construct shared_ptr object that owns same resource as _Other
    this->_Copy_construct_from(_Other);
}
 
template<class _Ty2>
void _Copy_construct_from(const shared_ptr<_Ty2>& _Other)
{	// implement shared_ptr's (converting) copy ctor
    if (_Other._Rep)
    {
        _Other._Rep->_Incref();
    }
 
    _Ptr = _Other._Ptr;
    _Rep = _Other._Rep;
}

    shared_ptr的拷贝构造函数没有开辟新的引用计数的资源，只是引用计数加1。

2.代码实例    

    先看下面出错的例子：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    // 裸指针指向堆上的对象
    int *p = new int;       
    shared_ptr<int> ptr1(p);
    shared_ptr<int> ptr2(p);
    //两次打印都是1，析构两次，出错
    cout << "use_count = " <<  ptr1.use_count() << endl;
    cout << "use_count = " << ptr2.use_count() << endl;
    getchar();
    return 0;
}

    执行结果：

  

    原因：ptr1(p) 和 ptr2(p)都调用了shared_ptr的构造函数，它们管理同一个资源，但是重新开辟了引用计数的资源。所以引用计数都为1。析构函数会被调用两次，所以程序出错。

    正确的代码如下：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    // 裸指针指向堆上的对象
    int *p = new int;       
    shared_ptr<int> ptr1(p);
    shared_ptr<int> ptr2(ptr1);
    //两次打印都是2，析构一次，正确
    cout << "use_count = " <<  ptr1.use_count() << endl;
    cout << "use_count = " << ptr2.use_count() << endl;
    getchar();
    return 0;
}

    执行结果：

    原因：ptr1(p) 调用构造函数，ptr2(ptr1)调用拷贝构造函数（没有开辟新的引用计数的资源，只是引用计数加1）。析构函数会被调用一次，所以程序正确。