shared_ptr的内部实现原理

怼烎@ 2023-06-24 04:55 49阅读 0赞

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：

![20191220171807502.png][]

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。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpeWF6aGVuMjAxMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

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：

![20191220172535289.png][]

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。

### ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpeWF6aGVuMjAxMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][] ###

[20191220171807502.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191220171807502.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpeWF6aGVuMjAxMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191220190135321.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpeWF6aGVuMjAxMQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[20191220172535289.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191220172535289.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpeWF6aGVuMjAxMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191220190101527.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpeWF6aGVuMjAxMQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70