智能指針shared_ptr(effective modern c++筆記)

shared_ptr

不少編程語言都有GC的機制，能夠自動管理內存資源，而後GC機制帶來的是資源釋放的不肯定性，c++原始的手工管理內存資源的方式雖然具備釋放的肯定性，可是人工管理很是容易出錯；如何既能自動釋放內存又能保證肯定性呢，modern c++給出的方案是shared_ptr。

從c++11開始引入的shared_ptr，用來表示指針對指向對象的「共享全部權」；一個對象能夠被多個shared_ptr指向和訪問，這些shared_ptr類型的指針共同享有該對象的全部權，當最後一個指向該對象的shared_ptr生命週期結束的時候，對象被銷燬。

shared_ptr基於引用計數實現，shared_ptr的構造將引用計數加1，銷燬的時候引用計數減1，而賦值則將源指針引用計數加1，目標指針引用計數減1，例如P1=P2，P1指向對象的引用計數減1，P2指向對象的引用計數加1。當引用計數減1以後爲0的時候，shared_ptr將會銷燬指向的對象。

存儲引用計數的空間是動態分配的。此外，爲了線程安全，引用計數的加減都必須是原子操做，原子操做的實現帶來了性能上的損耗；上面提到，shared_ptr的構造函數函數會增長引用計數，可是移動構造除外，由於移動構造並無增長指向對象的引用計數，因此不須要改變引用計數；

與unique_ptr相似，shared_ptr一樣也支持自定義銷燬方法（默認是直接調用delete），與unique_ptr不一樣的是，銷燬方式是unique_ptr類型的一部分，而shared_ptr的銷燬方式卻不是。

auto loggingDel = [](Widget *pw)
                  {
                      makeLogEntry(pw);
                      delete pw;
                  };
std::unique_ptr<Widget, decltype(loggingDel)> upw(new Widget, loggingDel);
std::shared_ptr<Widget> spw(new Widget, loggingDel);

不把銷燬方式做爲shared_ptr類型的一部分能夠帶來更大的靈活性，由於這裏不一樣的shared_ptr<Widget>指針對象可能須要不一樣的銷燬方式

auto customDeleter1 = [](Widget *pw) { … }; // custom deleters,
auto customDeleter2 = [](Widget *pw) { … }; // each with adifferent type
std::shared_ptr<Widget> pw1(new Widget, customDeleter1);
std::shared_ptr<Widget> pw2(new Widget, customDeleter2);

另外一個與unique_ptr不一樣的是，自定義銷燬方式並不會改變shared_ptr的size，shared_ptr的size始終是兩倍的裸指針size，其內存佈局是以下圖所示：

由圖中能夠看到，實際上引用計數、自定義銷燬等都不是直接存儲在shared_ptr中，而是經過一個指針指向的一個控制塊存儲的，控制塊是動態分配的內存，對shared_ptr進行不一樣的操做時，須要判斷須要不要分配新的控制塊，控制塊的分配主要有如下幾種狀況：

1. 使用std::make_shared的時候老是分配控制塊

2. shared_ptr由unique_ptr或裸指針構建時分配控制塊

3. shared_ptr由其餘shared_ptr或weak_ptr構建時不分配新的控制塊，而是沿用既有智能指針的控制塊

由上面的2引出的一個問題，當咱們用一個裸指針構建多個shared_ptr時，會分配多個控制塊，這就致使一個問題，同一個對象確有多個引用計數（控制塊），這就很容易致使一個對象被銷燬屢次，下面的代碼描述了這種狀況：

auto pw = new Widget; // pw is raw ptr
//…
std::shared_ptr<Widget> spw1(pw, loggingDel); // create control block for *pw
std::shared_ptr<Widget> spw2(pw, loggingDel); // create 2nd control block

有兩個方法能夠避免上面的問題發生，
1 儘量避免使用裸指針來構建shared_ptr，使用make_shared
2 必須使用裸指針的話，new出對象後直接傳入，而不是將指針傳入

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

另一種狀況是涉及到this指針的問題，假如在某個類的實現代碼中，用this指針構建了一個shared_ptr的時候：

class Widget {
public:
…
void process(){
    …
    processedWidgets.emplace_back(this);    //add it to the list of processed widgets
}
…
private:
    std::vector<std::shared_ptr<Widget>> processedWidgets;
};

上面這段代碼是能夠正常編譯的，這裏使用this指針構建了一個shared_ptr並保存到了一個vector中，這就給當前對象生成了一個控制塊，可是實際上，因爲外部使用shared_ptr管理這個對象，該對象已經存在一個控制塊了；

std::shared_ptr<Widget> spw1(new Widget);//產生一個控制塊

爲了解決這個問題，標準庫引入了一個新的模板類enable_shared_from_this，自定義的類能夠經過繼承這個模板類來規避由this指針構建shared_ptr的問題，上面的代碼修改以後以下面所示：

class Widget: public std::enable_shared_from_this<Widget> {
public:
    …
    void process()
    {
        // as before, process the Widget
        …
        // add std::shared_ptr to current object to processedWidgets
        processedWidgets.emplace_back(shared_from_this());
    }
    …
};

經過調用enable_shared_from_this類的shared_from_this函數來獲取對象自己的shared_ptr指針，就不會再建立一個新的控制塊了。shared_from_this會自動去查找關聯了當前對象的控制塊，並建立一個shared_ptr指針引用已有的控制塊，實際的狀況中，對象函數被調用必然是在對象已經存在的前提下，因此當前對象關聯的控制塊老是存在的，若是shared_from_this未查找到當前對象關聯的控制塊，就會致使未定義行爲，一般會拋出一個異常。

爲了不上面的狀況，能夠把類的構造函數設爲私有，再經過一個工廠方法函數返回shared_ptr來確保客戶端在調用的時候對象必定關聯了控制塊

class Widget: public std::enable_shared_from_this<Widget> {
public:
    // factory function that perfect-forwards args
    // to a private ctor
    template<typename... Ts>
    static std::shared_ptr<Widget> create(Ts&&... params);
    …
    void process(); // as before
    …
private:
    … // ctors
};

關於shared_ptr性能的討論
shared_ptr的控制塊是動態生成的，儘管佔用的空間並不大，可是控制塊的實際實現比想象的要複雜，實現控制塊使用到了繼承和虛函數，同時引用計數的增減是原子操做也增長了性能上的代價，這些都致使了shared_ptr並非管理全部動態資源的最好方案，使用shared_ptr解引用獲取對象時會比直接使用裸指針的代價更高；

然而，儘管shared_ptr有在性能上付出了必定的代價，其帶來的收益是很是顯著的，shared_ptr解決了動態分配資源的生命週期自動管理，大多數時候，在「共享全部權」的語義下，使用shared_ptr管理動態資源都是值得推薦的；而沒有「共享全部權」語義的其餘狀況下，例如「獨佔全部權」，則可使用unique_ptr來代替；

另外一個shared_ptr不能作的事情是管理數組，不能吃std::shared_ptr<T[]>這樣的類型，然而，c++ 11以後標準庫已經引入了std::array，shared_ptr管理一個std::array類型的對象是可行的。

shared_ptr的注意點

• shared_ptr能夠用來管理具備「共享全部權」語義的動態資源，能夠自動管理對象的生命週期和GC

• 因爲control_block的存在，shared_ptr的size一般是2倍裸指針或unique_ptr的大小，此外，shared_ptr的引用計數增減是原子操做

• shared_ptr一樣支持自定義銷燬方式，且自定義銷燬方式與shared_ptr類型無關

• 避免使用裸指針構建shared_ptr，在有經過this指針構建shared_ptr的狀況下要繼承std::enable_shared_from_this