C++11中的智能指针shared_ptr、weak_ptr源码解析

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我是靠谱客的博主要减肥项链，最近开发中收集的这篇文章主要介绍C++11中的智能指针shared_ptr、weak_ptr源码解析，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

1、前言

本文仅对C++智能指针shared_ptr、weak_ptr源码进行解析，需要读者有一定的C++基础并且对智能指针有所了解，本文并不对智能指针的使用方法、使用场景、效率等方面进行阐述分析，这些知识需自行查阅相关书籍去了解

2、源码准备

本文是基于gcc-4.9.0的源代码进行分析，shared_ptr和weak_ptr是C++11才加入标准的，所以低版本的gcc源码是没有shared_ptr和weak_ptr的，建议选择4.9.0或更新的版本去学习，不同版本的gcc源码差异应该不小，但是原理和设计思想的一样的，下面给出源码下载地址
http://ftp.gnu.org/gnu/gcc

3、智能指针概念

智能指针（Smart pointers）是存储“指向动态分配（在堆上）的对象的指针”的对象。也就是说，智能指针其实是个对象。不过它的行为很像C++的内建指针，只是它们可以在适当的时候自动删除它们所指向的对象。智能指针在面对异常时有非常显著的作用，它们可以确保动态分配对象的完全析构。它们还可以用于跟踪多主人共享的动态分配对象。在概念上，智能指针可以看作拥有它所指向的对象，并因此在对象不再需要时负责将它删除。

4、源码解析

4.1、shared_ptr解析

4.1.1、shared_ptr

shared_ptr位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr.h中

template<typename _Tp>
class shared_ptr : public __shared_ptr<_Tp>
{
public:
...
	// 构造函数
	template<typename _Tp1>
	explicit shared_ptr(_Tp1* __p)
		:__shared_ptr<_Tp>(__p)
	{
	}
...
};

由于源代码过长，这里就只贴出其中一部分进行分析：

该类没有类成员
该类继承于__shared_ptr，构造函数也只是调用了__shared_ptr的构造函数而已，将接管的普通指针传递给__shared_ptr
该类没有重载*和->运算符，从这点看shared_ptr似乎无法实现普通指针的功能，推测这两个运算符的重载是在父类__shared_ptr实现的
该类没有析构函数，从智能指针最终会自动释放内存的特性来看，释放工作肯定不是在该类进行了，接下来分析父类__shared_ptr的实现

4.1.2、__shared_ptr

__shared_ptr位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr_base.h中

template<typename _Tp, _Lock_policy _Lp>
class __shared_ptr
{
public:
    typedef _Tp element_type;
...
	// 构造函数
	template<typename _Tp1>
	explicit __shared_ptr(_Tp1* __p)
		:_M_ptr(__p), _M_refcount(__p)
	{
		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
		static_assert( !is_void<_Tp>::value, "incomplete type" );
		static_assert( sizeof(_Tp1) > 0, "incomplete type" );
		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
	}

	// 析构函数
	~__shared_ptr() = default;

	typename std::add_lvalue_reference<_Tp>::type
	operator*() const noexcept
	{
		_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT(_M_ptr != 0);
		return *_M_ptr;
	}

	_Tp*
	operator->() const noexcept
	{
		_GLIBCXX_DEBUG_ASSERT(_M_ptr != 0);
		return _M_ptr;
	}
...

private:
    _Tp* _M_ptr;    // Contained pointer.
    __shared_count<_Lp> _M_refcount;    // Reference counter.
};

同样的，源代码比较长且不是分析的重点，所以只贴出一部分进行分析：

可以看到里面有两个类成员：_M_ptr(由智能指针接管的普通指针)、_M_refcount(引用计数器，类型为__shared_count)

从构造函数看，_M_ptr获得了接管的普通指针的值，而_M_refcount的构造也同样需要这个值
重载了*和->运算符，由shared_ptr继承使用，使得智能指针最终能拥有和普通指针一样行为，尽管智能指针本质上是一个对象
从析构函数来看，里面啥也没做，说明接管的普通指针也不是在这里释放的，所以有可能是由_M_refcount来完成释放内存这个工作，下面分析__shared_count的实现

4.1.3、__shared_count

__shared_count位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr_base.h中

template<_Lock_policy _Lp>
class __shared_count
{
public:
    constexpr __shared_count() noexcept : _M_pi(0)
    {
    }

    template<typename _Ptr>
    explicit __shared_count(_Ptr __p) : _M_pi(0)
    {
        __try
        {
            _M_pi = new _Sp_counted_ptr<_Ptr, _Lp>(__p);
        }
        __catch(...)
        {
            delete __p;
            __throw_exception_again;
        }
    }

    template<typename _Ptr, typename _Deleter>
    __shared_count(_Ptr __p, _Deleter __d)
        :__shared_count(__p, std::move(__d), allocator<void>())
    {
    }

    template<typename _Ptr, typename _Deleter, typename _Alloc>
    __shared_count(_Ptr __p, _Deleter __d, _Alloc __a)
        :_M_pi(0)
    {
        typedef _Sp_counted_deleter<_Ptr, _Deleter, _Alloc, _Lp> _Sp_cd_type;
        typedef typename allocator_traits<_Alloc>::template rebind_traits<_Sp_cd_type> _Alloc_traits;
        typename _Alloc_traits::allocator_type __a2(__a);
        _Sp_cd_type* __mem = 0;
        __try
        {
            __mem = _Alloc_traits::allocate(__a2, 1);
            _Alloc_traits::construct(__a2, __mem, __p, std::move(__d), std::move(__a));
            _M_pi = __mem;
        }
        __catch(...)
        {
            __d(__p); // Call _Deleter on __p.
            if (__mem)
                _Alloc_traits::deallocate(__a2, __mem, 1);
            __throw_exception_again;
        }
    }

    template<typename _Tp, typename _Alloc, typename... _Args>
    __shared_count(_Sp_make_shared_tag, _Tp*, const _Alloc& __a, _Args&&... __args)
        :_M_pi(0)
    {
        typedef _Sp_counted_ptr_inplace<_Tp, _Alloc, _Lp> _Sp_cp_type;
        typedef typename allocator_traits<_Alloc>::template rebind_traits<_Sp_cp_type> _Alloc_traits;
        typename _Alloc_traits::allocator_type __a2(__a);
        _Sp_cp_type* __mem = _Alloc_traits::allocate(__a2, 1);
        __try
        {
            _Alloc_traits::construct(__a2, __mem, std::move(__a),
            std::forward<_Args>(__args)...);
            _M_pi = __mem;
        }
        __catch(...)
        {
            _Alloc_traits::deallocate(__a2, __mem, 1);
            __throw_exception_again;
        }
    }

    template<typename _Tp, typename _Del>
    explicit __shared_count(std::unique_ptr<_Tp, _Del>&& __r)
        :_M_pi(0)
    {
        using _Ptr = typename unique_ptr<_Tp, _Del>::pointer;
        using _Del2 = typename conditional<is_reference<_Del>::value, reference_wrapper<typename remove_reference<_Del>::type>, _Del>::type;
        using _Sp_cd_type = _Sp_counted_deleter<_Ptr, _Del2, allocator<void>, _Lp>;
        using _Alloc = allocator<_Sp_cd_type>;
        using _Alloc_traits = allocator_traits<_Alloc>;
        _Alloc __a;
        _Sp_cd_type* __mem = _Alloc_traits::allocate(__a, 1);
        _Alloc_traits::construct(__a, __mem, __r.release(), __r.get_deleter());  // non-throwing
        _M_pi = __mem;
    }

    explicit __shared_count(const __weak_count<_Lp>& __r);

    explicit __shared_count(const __weak_count<_Lp>& __r, std::nothrow_t);

    ~__shared_count() noexcept
    {
        if (_M_pi != nullptr)
            _M_pi->_M_release();
    }

    __shared_count(const __shared_count& __r) noexcept
        :_M_pi(__r._M_pi)
    {
        if (_M_pi != 0)
            _M_pi->_M_add_ref_copy();
    }

    __shared_count&
    operator=(const __shared_count& __r) noexcept
    {
        _Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
        if (__tmp != _M_pi)
        {
            if (__tmp != 0)
              __tmp->_M_add_ref_copy();
            if (_M_pi != 0)
              _M_pi->_M_release();
            _M_pi = __tmp;
        }
        return *this;
    }

    void _M_swap(__shared_count& __r) noexcept
    {
        _Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
        __r._M_pi = _M_pi;
        _M_pi = __tmp;
    }

    long _M_get_use_count() const noexcept
    { return _M_pi != 0 ? _M_pi->_M_get_use_count() : 0; }

    bool _M_unique() const noexcept
    { return this->_M_get_use_count() == 1; }

    void* _M_get_deleter(const std::type_info& __ti) const noexcept
    { return _M_pi ? _M_pi->_M_get_deleter(__ti) : nullptr; }

    bool _M_less(const __shared_count& __rhs) const noexcept
    { return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }

    bool _M_less(const __weak_count<_Lp>& __rhs) const noexcept
    { return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }

    friend inline bool operator==(const __shared_count& __a, const __shared_count& __b) noexcept
    { return __a._M_pi == __b._M_pi; }

private:
    friend class __weak_count<_Lp>;
    _Sp_counted_base<_Lp>* _M_pi;
}

从源代码可以获得以下几点信息：

有一个类成员：_M_pi(计数器，类型为_Sp_counted_base)

只有构造函数为_M_pi分配了内存，并且该类并没有直接持有从前面一直传递过来的那个普通指针，而是继续将其传递给_M_pi，所以内存的释放也不是直接在该类进行的。
拷贝构造函数没有分配内容，而是把拷贝对象的_M_pi直接拿过来了，有点类似于浅拷贝的意思，然后调用了_M_pi的_M_add_ref_copy方法（后面会讲），增加了一次引用计数。赋值函数也是同样的道理，但是由于赋值函数的特殊性（当赋值对象原先就存在时调用赋值函数，否则调用拷贝构造函数），要先调用_M_pi的_M_release方法（后面会讲）将自己持有的内存释放掉，其余操作和拷贝构造函数是一样的
从析构函数中可以看到，里面并没有直接释放掉为_M_pi分配的内存，而是调用了_M_pi的_M_release方法，可以大概猜测是通过_M_release方法释放了_M_pi的内存(delete this指针，后面会讲)
由于__shared_count里面的方法都是借助_M_pi实现的，并且到这里都还没有见到释放那个普通指针的代码，所以还是得继续看_M_pi究竟做了什么工作，接下来继续看_Sp_counted_base的实现

4.1.4、_Sp_counted_base

_Sp_counted_base位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr_base.h中

template<_Lock_policy _Lp = __default_lock_policy>
class _Sp_counted_base : public _Mutex_base<_Lp>
{
public:
    _Sp_counted_base() noexcept
        : _M_use_count(1), _M_weak_count(1)
    {
    }
  
    virtual ~_Sp_counted_base() noexcept
    {
    }

    virtual void _M_dispose() noexcept = 0;
  
    virtual void _M_destroy() noexcept
    { delete this; }

    virtual void* _M_get_deleter(const std::type_info&) noexcept = 0;

    void _M_add_ref_copy()
    { __gnu_cxx::__atomic_add_dispatch(&_M_use_count, 1); }

    void _M_add_ref_lock();

    bool _M_add_ref_lock_nothrow();

    void _M_release() noexcept
    {
        _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_use_count);
        if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_use_count, -1) == 1)
        {
            _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_use_count);
            _M_dispose();
            if (_Mutex_base<_Lp>::_S_need_barriers)
            {
                _GLIBCXX_READ_MEM_BARRIER;
                _GLIBCXX_WRITE_MEM_BARRIER;
            }

            _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_weak_count);
            if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_weak_count, -1) == 1)
            {
                _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_weak_count);
                _M_destroy();
            }
        }
    }

    void _M_weak_add_ref() noexcept
    { __gnu_cxx::__atomic_add_dispatch(&_M_weak_count, 1); }

    void _M_weak_release() noexcept
    {
        _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&_M_weak_count);
        if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&_M_weak_count, -1) == 1)
        {
            _GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&_M_weak_count);
            if (_Mutex_base<_Lp>::_S_need_barriers)
            {
                _GLIBCXX_READ_MEM_BARRIER;
                _GLIBCXX_WRITE_MEM_BARRIER;
            }
            _M_destroy();
        }
    }

    long _M_get_use_count() const noexcept
    {
        return __atomic_load_n(&_M_use_count, __ATOMIC_RELAXED);
    }

private:
    _Sp_counted_base(_Sp_counted_base const&) = delete;
    _Sp_counted_base& operator=(_Sp_counted_base const&) = delete;

    _Atomic_word  _M_use_count;     // #shared
    _Atomic_word  _M_weak_count;    // #weak + (#shared != 0)
};

从源代码可以获得以下几点信息：

有两个类成员：_M_use_count(引用计数)、_M_weak_count(弱引用计数)，对这两个数的操作需要具有原子性
_M_release方法是该类的关键，可以看到先将_M_use_count自减1，然后判断自减前_M_use_count的值是否为1(无其他人引用)，如果为1，则调用_M_dispose方法(虚函数，由派生类实现，估计是释放前面一直说的那个由智能指针接管的普通指针)。接下来将_M_weak_count自减1，然后判断自减前_M_weak_count的值是否为1(无其他人引用)，如果为1，则调用_M_destroy方法，而_M_destroy方法里面释放了this指针，这点和前面的猜测一致
从_M_release可以看出，智能指针所接管的指针的释放内存工作只和_M_use_count有关，当_M_use_count减完时就会将其释放了，而_M_weak_count也是有作用的，他负责释放_Sp_counted_base本身，这也就是为什么weak_ptr可以保证智能指针这个对象有效，但不保证智能指针所引用的指针有效的原因了（这点和shared_ptr、weak_ptr的定义是完全一致的）
其他的方法就很简单了，比如_M_add_ref_copy方法将引用计数_M_use_count加一，_M_weak_add_ref方法将弱引用计数_M_weak_count加一，这个自增过程是具有原子性的，这里就不赘述了，大家可以自行看一下具体实现

4.1.5、_Sp_counted_ptr

_Sp_counted_ptr位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr_base.h中

template<typename _Ptr, _Lock_policy _Lp>
class _Sp_counted_ptr final : public _Sp_counted_base<_Lp>
{
public:
    explicit _Sp_counted_ptr(_Ptr __p) noexcept : _M_ptr(__p)
    {
    }

    virtual void _M_dispose() noexcept
    { delete _M_ptr; }

    virtual void _M_destroy() noexcept
    { delete this; }

    virtual void* _M_get_deleter(const std::type_info&) noexcept
    { return nullptr; }

    _Sp_counted_ptr(const _Sp_counted_ptr&) = delete;
    _Sp_counted_ptr& operator=(const _Sp_counted_ptr&) = delete;

private:
    _Ptr _M_ptr;
};

从源代码中可以看到_Sp_counted_ptr是_Sp_counted_base的派生类，并且__shared_count在初始化_M_pi时用的也是_Sp_counted_ptr。
接着看_M_dispose方法的实现，里面确实删除了一开始shared_ptr接管的指针，_M_destroy方法用于释放自己的内存(由__shared_count调用)，和前面猜想一致

4.1.6、shared_ptr总结

看完前面分析的内容再回过头来看，_Sp_counted_base的_M_add_ref_copy方法是整个流程的关键，它实现了引用计数器的增加，那么在何时调用它就是关键了。通过在代码中检索，可以查到__shared_count的赋值构造函数和拷贝构造函数调用了它(其实也只有可能是这里啦，因为只有它的类成员有_Sp_counted_base)，这样整个流程也就解释通了：

__shared_count的成员_M_pi只会初始化一次（构造函数中分配内存初始化的）
后面调用拷贝构造时（这个行为由__shared_ptr触发，__shared_ptr的拷贝构造函数和赋值函数都会调用__shared_count的拷贝构造函数），__shared_count只是简单复制了_M_pi而已，并没有重新分配内存，然后再调用_M_add_ref_copy增加一次引用计数，这样就实现了shared_ptr每多一份拷贝就增加一次引用计数的特性了
每一个__shared_count被析构都会使引用计数减一，减完就将智能指针持有的资源释放，这个前面已经分析过了，这里就不赘述了

4.2、weak_ptr解析

4.2.1、weak_ptr

weak_ptr位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr.h中

template<typename _Tp>
class weak_ptr : public __weak_ptr<_Tp>
{
public:
	constexpr weak_ptr() noexcept
		:__weak_ptr<_Tp>()
	{
	}

	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
	weak_ptr(const weak_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
		:__weak_ptr<_Tp>(__r)
	{
	}

	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
	weak_ptr(const shared_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
		:__weak_ptr<_Tp>(__r)
	{
	}

	template<typename _Tp1>
	weak_ptr& operator=(const weak_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
	{
		this->__weak_ptr<_Tp>::operator=(__r);
		return *this;
	}

	template<typename _Tp1>
	weak_ptr& operator=(const shared_ptr<_Tp1>& __r) noexcept
	{
		this->__weak_ptr<_Tp>::operator=(__r);
		return *this;
	}

	shared_ptr<_Tp>
	lock() const noexcept
	{
		return shared_ptr<_Tp>(*this, std::nothrow);
	}
}

从源代码中可以看出以下几点：

该类没有类成员
从构造函数的参数来看（无参构造函数除外），只能使用shared_ptr或weak_ptr来构造一个weak_ptr对象，包括赋值函数也是这样的，这就和shared_ptr有很大区别了，从4.1.1小节可以看到shared_ptr是可以使用普通指针来构造的
可以调用lock方法来获得一个shared_ptr，lock方法的实现后面再讲

该类没有重载*和->运算符，接下来分析其父类__weak_ptr的实现

4.2.2、__weak_ptr

__weak_ptr位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr_base.h中

template<typename _Tp, _Lock_policy _Lp>
class __weak_ptr
{
public:
	typedef _Tp element_type;

	constexpr __weak_ptr() noexcept
		:_M_ptr(0)
		,_M_refcount()
	{
	}

	__weak_ptr(const __weak_ptr&) noexcept = default;
	__weak_ptr& operator=(const __weak_ptr&) noexcept = default;
	~__weak_ptr() = default;
	
	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
	__weak_ptr(const __weak_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
		:_M_refcount(__r._M_refcount)
	{ _M_ptr = __r.lock().get(); }

	template<typename _Tp1, typename = typename std::enable_if<std::is_convertible<_Tp1*, _Tp*>::value>::type>
	__weak_ptr(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
		:_M_ptr(__r._M_ptr)
		,_M_refcount(__r._M_refcount)
	{
	}

	template<typename _Tp1>
	__weak_ptr& operator=(const __weak_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
	{
		_M_ptr = __r.lock().get();
		_M_refcount = __r._M_refcount;
		return *this;
	}

	template<typename _Tp1>
	__weak_ptr& operator=(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) noexcept
	{
		_M_ptr = __r._M_ptr;
		_M_refcount = __r._M_refcount;
		return *this;
	}

	__shared_ptr<_Tp, _Lp> lock() const noexcept
	{ return __shared_ptr<element_type, _Lp>(*this, std::nothrow); }

	long use_count() const noexcept
	{ return _M_refcount._M_get_use_count(); }

	bool expired() const noexcept
	{ return _M_refcount._M_get_use_count() == 0; }

	template<typename _Tp1>
	bool owner_before(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __rhs) const
	{ return _M_refcount._M_less(__rhs._M_refcount); }

	template<typename _Tp1>
	bool owner_before(const __weak_ptr<_Tp1, _Lp>& __rhs) const
	{ return _M_refcount._M_less(__rhs._M_refcount); }

	void reset() noexcept
	{ __weak_ptr().swap(*this); }

	void swap(__weak_ptr& __s) noexcept
	{
		std::swap(_M_ptr, __s._M_ptr);
		_M_refcount._M_swap(__s._M_refcount);
	}

private:
	// Used by __enable_shared_from_this.
	void _M_assign(_Tp* __ptr, const __shared_count<_Lp>& __refcount) noexcept
	{
		_M_ptr = __ptr;
		_M_refcount = __refcount;
	}

	template<typename _Tp1, _Lock_policy _Lp1> friend class __shared_ptr;
	template<typename _Tp1, _Lock_policy _Lp1> friend class __weak_ptr;
	friend class __enable_shared_from_this<_Tp, _Lp>;
	friend class enable_shared_from_this<_Tp>;

	_Tp* _M_ptr;         // Contained pointer.
	__weak_count<_Lp> _M_refcount;    // Reference counter.
}

从源代码中可以看出以下几点信息：

有两个类成员：_M_ptr(由智能指针接管的普通指针)、_M_refcount(弱引用计数器，类型为__weak_count)
从构造函数看，_M_ptr获得了接管的普通指针的值，而_M_refcount的构造并不需要这个值了（这点和__shared_ptr不一样了），_M_refcount只能借助其他__shared_ptr的_M_refcount或者__weak_ptr的_M_refcount来进行构造（注意这两个的_M_refcount类型不同，说明__weak_count支持多种类型进行构造）
拷贝构造函数和赋值函数的实现同上
该类依然没有重载*和->运算符，由于接下去已无继承关系，所以weak_ptr不具备普通指针的特性，无法直接使用资源，这点符合weak_ptr的定义
既然weak_ptr无法直接使用资源，那他设计_M_ptr这个成员的意图在哪里呢？答案就是lock方法将weak_ptr转换为shared_ptr时是需要将这个指针传递过去的，不然连接管的指针都没了转换的意义也就没了
析构函数啥也没做，因为weak_ptr不持有资源，不对资源的释放产生影响，接下来对__weak_count进行分析

4.2.3、__weak_count

__weak_count的实现位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr_base.h中

template<_Lock_policy _Lp>
class __weak_count
{
public:
	constexpr __weak_count() noexcept : _M_pi(0)
	{
	}

	__weak_count(const __shared_count<_Lp>& __r) noexcept
		:_M_pi(__r._M_pi)
	{
		if (_M_pi != 0)
			_M_pi->_M_weak_add_ref();
	}

	__weak_count(const __weak_count<_Lp>& __r) noexcept
		:_M_pi(__r._M_pi)
	{
		if (_M_pi != 0)
			_M_pi->_M_weak_add_ref();
	}

	~__weak_count() noexcept
	{
		if (_M_pi != 0)
			_M_pi->_M_weak_release();
	}

	__weak_count<_Lp>&
	operator=(const __shared_count<_Lp>& __r) noexcept
	{
		_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
		if (__tmp != 0)
			__tmp->_M_weak_add_ref();
		if (_M_pi != 0)
			_M_pi->_M_weak_release();
		_M_pi = __tmp;
		return *this;
	}

	__weak_count<_Lp>& operator=(const __weak_count<_Lp>& __r) noexcept
	{
		_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
		if (__tmp != 0)
			__tmp->_M_weak_add_ref();
		if (_M_pi != 0)
			_M_pi->_M_weak_release();
		_M_pi = __tmp;
		return *this;
	}

	void _M_swap(__weak_count<_Lp>& __r) noexcept
	{
		_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;
		__r._M_pi = _M_pi;
		_M_pi = __tmp;
	}

	long _M_get_use_count() const noexcept
	{ return _M_pi != 0 ? _M_pi->_M_get_use_count() : 0; }

	bool _M_less(const __weak_count& __rhs) const noexcept
	{ return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }

	bool _M_less(const __shared_count<_Lp>& __rhs) const noexcept
	{ return std::less<_Sp_counted_base<_Lp>*>()(this->_M_pi, __rhs._M_pi); }

	friend inline bool operator==(const __weak_count& __a, const __weak_count& __b) noexcept
	{ return __a._M_pi == __b._M_pi; }

private:
	friend class __shared_count<_Lp>;
	_Sp_counted_base<_Lp>*  _M_pi;
}

从源代码可以获得以下几点信息：

有一个类成员：_M_pi(计数器，类型为_Sp_counted_base)
仔细一看__shared_count里也持有这个成员，类型一模一样，这样也就解释得通为什么__shared_count和__weak_count可以互相转换了，转换的方式很简单：

__shared_count转换为__weak_count的过程为：
拷贝_M_pi，然后调用_M_weak_add_ref方法增加一次弱引用计数__weak_count转换为__shared_count的过程为：
拷贝_M_pi，然后调用_M_add_ref_copy方法增加一次引用计数

构造函数、拷贝构造函数、赋值函数均不为_M_pi分配了内存，这点也可以看出weak_ptr确实是shared_ptr的附属品而已，自己不持有资源不控制资源
析构函数中调用了_M_pi的_M_weak_release方法，释放了_M_pi的内存（条件满足的情况下才会释放）
接下来的内容和3.1.4小节还有3.1.5小节的内容是一样的，这里就不赘述

4.2.4、回过头看weak_ptr中lock方法的实现

weak_ptr的lock方法调用了shared_ptr的构造函数如下：

shared_ptr(const weak_ptr<_Tp>& __r, std::nothrow_t)
    :__shared_ptr<_Tp>(__r, std::nothrow)
{
}

从上面的代码可以看出调用了__shared_ptr的构造函数，代码如下：

__shared_ptr(const __weak_ptr<_Tp, _Lp>& __r, std::nothrow_t)
    :_M_refcount(__r._M_refcount, std::nothrow)
{
    _M_ptr = _M_refcount._M_get_use_count() ? __r._M_ptr : nullptr;
}

可以看到此时先是使用了__weak_ptr的_M_refcount成员（类型为__weak_count）来构造__shared_ptr的_M_refcount成员（类型为__shared_count），然后再判断引用计数器是否为0，为零的话就将__shared_ptr的_M_ptr成员置为nullptr，即lock函数执行失败；不为零的话就会正常构建一个shared_ptr了。

上面讲的构造_M_refcount的方法如下所示：

template<_Lock_policy _Lp>
inline __shared_count<_Lp>::__shared_count(const __weak_count<_Lp>& __r, std::nothrow_t)
    :_M_pi(__r._M_pi)
{
    if (_M_pi != nullptr)
        if (!_M_pi->_M_add_ref_lock_nothrow())
            _M_pi = nullptr;
}

template<>
inline bool _Sp_counted_base<_S_single>::_M_add_ref_lock_nothrow()
{
    if (_M_use_count == 0)
        return false;
    ++_M_use_count;
    return true;
}

从上面的代码中我们可以看到，首先__shared_count使用__weak_count的_M_pi来构建自己的_M_pi，从前面的分析我们可以知道，在所有的shared_ptr和weak_ptr消亡之前，_M_pi的内存是不会被释放的，所以这里就算之前的shared_ptr已经全部消亡（即资源已释放），_M_pi还是有效的（因为weak_ptr还没有消亡）。而通过判断_M_add_ref_lock_nothrow的返回值来确定是否要将_M_pi置为nullptr，可以看到判断的条件为_M_use_count是否为0（即判断资源是否被释放了）。

接下来再看一下__shared_count的_M_get_use_count方法，代码如下：

long _M_get_use_count() const noexcept
{ return _M_pi != 0 ? _M_pi->_M_get_use_count() : 0; }

代码比较简单，意思就是如果此时资源已经被释放了（对应_M_pi值为nullptr），则会返回0，再回到上面第2点讲的那里，_M_ptr将被设置为nullptr，即资源无效，lock函数执行失败。
至此weak_ptr的lock方法的实现原理就全部讲解完毕。

4.3、enable_shared_from_this解析

4.3.1、从一个典型的例子来认识智能指针的不足之处

有时候我们需要在一个被shared_ptr管理的对象的内部获取自己的shared_ptr，比如下面这个的例子:

class Ptr
{
public:
	void fun()
	{
		std::shared_ptr<Ptr> p(this);
		std::cout << sp->use_count() << std::endl;
	}
};

std::shared_ptr<Ptr> p= std::make_shared<Ptr>();
p->fun(); //输出为1

从上面这个简单的例子可以看到，fun输出的居然是1而不是2，这是为什么？倒回去4.1.2小节可以看到，当使用普通指针（上面的那个this）去构造shared_ptr时，构造出来的shared_ptr一定是独立的，不与其他人共享的。这样就会出现一个非常严重的问题，那就是析构时会导致对象被重复释放, 从而引发错误

4.3.2、改进方法

现在明确一下我们的需求：在一个对象内部构造该对象的shared_ptr 时，即使该对象已经被shared_ptr管理着，也不会造成对象被两个独立的智能指针管理。这就要求我们在对象内构造对象的智能指针时，必须能识别有对象是否已经由其他智能指针管理，智能指针的数量，并且我们创建智能指针后也能让之前的智能指针感知到。当然标准已经也给出了解决了这个问题办法，那就是使用接下来所提到的enable_shared_from_this

4.3.3、enable_shared_from_this解析

enable_shared_from_this的实现位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr.h中

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>
	friend void __enable_shared_from_this_helper(const __shared_count<>& __pn, const enable_shared_from_this* __pe, const _Tp1* __px) noexcept
	{
		if (__pe != 0)
			__pe->_M_weak_assign(const_cast<_Tp1*>(__px), __pn);
	}

	mutable weak_ptr<_Tp>  _M_weak_this;
};

从源代码可以获得以下几点信息：

有一个类成员：_M_weak_this
该类需要被继承，被需要用智能指针管理的对象继承
我们平时就是使用该类的shared_from_this方法的，可以看到其实现就是利用_M_weak_this构造一个shared_ptr对象而已
该类并没有直接初始化_M_weak_this，而是提供了_M_weak_assign方法来构造_M_weak_this，其实现比较简单，就是调用了weak_ptr的_M_assign方法
那么问题来了，_M_weak_assign方法由谁调用呢？从后面我们可以知道是由一个全局函数__enable_shared_from_this_helper调用的，该函数有一种重载形式是enable_shared_from_this的友元函数，从上面的代码中就可以看到了，那唯一一个友元函数就是__enable_shared_from_this_helper，里面调用了enable_shared_from_this的_M_weak_assign方法。
而__enable_shared_from_this_helper函数要在哪个时间点使用才能达到预期的效果呢？答案当然是在__shared_ptr的构造函数中调用。下面列出了__shared_ptr部分构造函数，可以看到确实调用了__enable_shared_from_this_helper，证实了前面的猜想

template<typename _Tp, _Lock_policy _Lp>
class __shared_ptr
{
public:
...

	template<typename _Tp1>
	explicit __shared_ptr(_Tp1* __p)
		:_M_ptr(__p)
		,_M_refcount(__p)
	{
		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
		static_assert( !is_void<_Tp>::value, "incomplete type" );
		static_assert( sizeof(_Tp1) > 0, "incomplete type" );
		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
	}

	template<typename _Tp1, typename _Deleter>
	__shared_ptr(_Tp1* __p, _Deleter __d)
		:_M_ptr(__p)
		,_M_refcount(__p, __d)
	{
		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
	}

	template<typename _Tp1, typename _Deleter, typename _Alloc>
	__shared_ptr(_Tp1* __p, _Deleter __d, _Alloc __a)
		:_M_ptr(__p)
		,_M_refcount(__p, __d, std::move(__a))
	{
		__glibcxx_function_requires(_ConvertibleConcept<_Tp1*, _Tp*>)
		__enable_shared_from_this_helper(_M_refcount, __p, __p);
	}

...
};

4.3.4、__enable_shared_from_this_helper解析

__enable_shared_from_this_helper的实现位于libstdc++-v3includebitsshared_ptr_base.h中

// Friend of enable_shared_from_this.
template<typename _Tp1, typename _Tp2>
void __enable_shared_from_this_helper(const __shared_count<>&, const enable_shared_from_this<_Tp1>*, const _Tp2*) noexcept;

template<_Lock_policy _Lp>
inline void __enable_shared_from_this_helper(const __shared_count<_Lp>&, ...) noexcept
{ }

这里有必要再看一下__enable_shared_from_this_helper函数的实现，有两种形式，第一种就是上面提到过的那个enable_shared_from_this的友元函数，而第二种重载形式里面啥都没有干。为什么需要重载这两个函数呢？答案很简单，当我们一个类继承了enable_shared_from_this之后，这个类肯定可以转换为enable_shared_from_this类型了，此时在__shared_ptr中调用的__enable_shared_from_this_helper就是上面第一种情况了，这种情况下就可以使用shared_from_this函数了；反之，当类没有继承enable_shared_from_this时，就是调用第二中形式的__enable_shared_from_this_helper，此时也就不能使用shared_from_this函数了。
至此，为什么在使用shared_from_this前，对应的类需要继承enable_shared_from_this的原因也就全部揭晓了。

5、总结

本文先是简单介绍了C++智能指针的定义，然后通过对源码进行详细分析，我们了解了shared_ptr、weak_ptr以及enable_shared_from_this的实现原理。源代码内容并不是很复杂，没有用到什么很高深的语法糖，但是阅读起来非常绕（因为这三个类的关联错综复杂），这就需要我们有耐心地一步一步去深入学习。

最后，如果大家觉得本文写得好的话麻烦点赞收藏关注一下谢谢，也可以关注该专栏，以后会有更多优质文章输出的。

最后

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本文分类：C语言
浏览次数：131 次浏览
发布日期：2022-05-24 04:10:05
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C++11中的智能指针shared_ptr、weak_ptr源码解析

概述

目录

1、前言

2、源码准备

3、智能指针概念

4、源码解析

4.1、shared_ptr解析

4.1.1、shared_ptr

4.1.2、__shared_ptr

4.1.3、__shared_count

4.1.4、_Sp_counted_base

4.1.5、_Sp_counted_ptr

4.1.6、shared_ptr总结

4.2、weak_ptr解析

4.2.1、weak_ptr

4.2.2、__weak_ptr

4.2.3、__weak_count

4.2.4、回过头看weak_ptr中lock方法的实现

4.3、enable_shared_from_this解析

4.3.1、从一个典型的例子来认识智能指针的不足之处

4.3.2、改进方法

4.3.3、enable_shared_from_this解析

4.3.4、__enable_shared_from_this_helper解析

5、总结

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C++11中的智能指针shared_ptr、weak_ptr源码解析

概述

目录

1、前言

2、源码准备

3、智能指针概念

4、源码解析

4.1、shared_ptr解析

4.1.1、shared_ptr

4.1.2、__shared_ptr

4.1.3、__shared_count

4.1.4、_Sp_counted_base

4.1.5、_Sp_counted_ptr

4.1.6、shared_ptr总结

4.2、weak_ptr解析

4.2.1、weak_ptr

4.2.2、__weak_ptr

4.2.3、__weak_count

4.2.4、回过头看weak_ptr中lock方法的实现

4.3、enable_shared_from_this解析

4.3.1、从一个典型的例子来认识智能指针的不足之处

4.3.2、改进方法

4.3.3、enable_shared_from_this解析

4.3.4、__enable_shared_from_this_helper解析

5、总结

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