源码分析shared_ptr实现之修订版
智能指针是C++中一项很常用的技术，合理的使用智能指针可以更方便的管理内存，降低内存泄漏的风险，这里只介绍C++11后官方的智能指针。01智能指针的种类
- unique_ptr
- shared_ptr
- weak_ptr
关于智能指针使用以及区别可以自行查找资料，这里主要介绍智能指针的实现原理。
shared_ptr的实现
我们平时看文档都知道shared_ptr内部是使用引用计数来记录托管指针被引用的次数，当托管指针的引用计数为0时会释放托管的内存，这里通过gcc源码探究shared_ptr内部究竟是如何实现的内存引用计数功能。非标准类图如下：
点击查看大图 如上图，shared_ptr类几乎什么都没有做，它是继承了shared_ptr, shared_ptr内部有一个类型为shared_count类型的成员_M_refcount, shared_count内部有类型为_Sp_counted_base*的_M_pi的成员， _Sp_counted_base才是整个shared_ptr功能的核心，通过_Sp_counted_base控制引用计数来管理托管的内存，由图可见_Sp_counted_base内部不持有托管内存的指针，这里__shared_count内部的成员其实是一个继承自_Sp_counted_base的_Sp_counted_ptr类型，_Sp_counted_ptr类型内部持有托管内存的指针_M_ptr, _M_pi是一个_Sp_counted_base基类对象指针，指向_Sp_counted_ptr子类对象内存，这样_M_pi内部就既可以控制引用计数，又可以在最后释放托管内存。这里称_M_pi为管理对象，它内部的_M_ptr为托管对象，管理同一块托管对象的多个shared_ptr内部共用一个管理对象(_M_pi), 这里的多个shared_ptr可能是通过第一个shared_ptr拷贝或者移动而来，管理对象内部有两个成员变量_M_use_count和_M_weak_count, _M_use_count表示托管对象的引用计数，控制托管对象什么时候析构和释放，大概就是有N个shared_ptr的拷贝那引用计数就是N，当引用计数为0时调用托管对象的析构函数且释放内存。_M_weak_count表示管理对象的引用计数，引用管理对象也是一个内存指针，这块指针是初始化第一个shared_ptr时new出来的，到最后也需要delete，所以使用_M_weak_count来控制管理对象什么时候析构，我们平时用到的weak_ptr内部其实持有的就是这个管理对象的指针，当weak_ptr拷贝时，管理对象的引用计数_M_weak_count就会增加，当_M_weak_count为0时，管理对象_M_pi就会析构且释放内存。 _M_use_count是如何加减的
_M_use_count表示托管对象的引用计数，即当shared_ptr拷贝时会增加，当shared_ptr析构时会减少，看代码：
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <<span class="code-snippet__keyword">typename _Yp>shared_ptr(const __shared_ptr<_Yp, _Lp>& r,
<span class="code-snippet_outer"> element_type* __p) <span class="code-snippet__keyword">noexcept: _M_ptr(p), _M_refcount(r._M_refcount) // never throws
<span class="code-snippet_outer">{}
<span class="code-snippet_outer"><br></br>shared_count(const __shared_count& r) noexcept : _M_pi(__r._M_pi)
<span class="code-snippet_outer">{if (_M_pi != 0) _M_pi->_M_add_ref_copy();
<span class="code-snippet_outer">}<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <>inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_add_ref_copy()
<span class="code-snippet_outer">{++_M_use_count;
<span class="code-snippet_outer">}
```
```
shared\_ptr拷贝时，内部**shared\_count类型的\_M\_refcount会进行拷贝，**shared\_count的拷贝构造函数会调用\_M\_add\_ref\_copy()方法，\_M\_add\_ref\_copy()方法中会将\_M\_use\_count加1。这里再看下shared\_ptr的赋值构造函数：-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <<span class="code-snippet__keyword">typename _Yp>_Assignable<const shared_ptr<_Yp>&> operator=(
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">const <span class="code-snippet__built_in">shared_ptr<_Yp>& __r) <span class="code-snippet__keyword">noexcept{
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">this->__shared_ptr<_Tp>::<span class="code-snippet__keyword">operator=(__r);return *this;
<span class="code-snippet_outer">}<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <<span class="code-snippet__keyword">typename _Yp>_Assignable<_Yp> operator=(const __shared_ptr<_Yp, _Lp>& r) <span class="code-snippetkeyword">noexcept
<span class="code-snippet_outer">{_M_ptr = __r._M_ptr;
<span class="code-snippet_outer"> _M_refcount = __r._M_refcount; <span class="code-snippet__comment">// __shared_count::op= doesn't throwreturn *this;
<span class="code-snippet_outer">}<span class="code-snippet_outer">__shared_count& <span class="code-snippet__keyword">operator=(<span class="code-snippet__keyword">const __shared_count& __r) <span class="code-snippet__keyword">noexcept{
<span class="code-snippet_outer"> _Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;if (__tmp != _M_pi) {
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">if (__tmp != <span class="code-snippet__number">0) __tmp->_M_add_ref_copy();if (_M_pi != 0) _M_pi->_M_release();
<span class="code-snippet_outer"> _M_pi = __tmp;}
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">return *<span class="code-snippet__keyword">this;}
从代码中可见，shared_ptr的operator=会调用shared_ptr的operator=进而调用shared_count的operator=，从这里可以看出管理同一块托管对象的shared_ptr共用的同一个管理对象的指针。_M_use_count是如何减为0的，可以猜想到shared_ptr析构时会调用__shared_count的析构函数，看精简代码：
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">~__shared_count() <span class="code-snippet__keyword">noexcept{
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">if (_M_pi != <span class="code-snippet__literal">nullptr) _M_pi->_M_release();}
<span class="code-snippet_outer"><br></br>template <>
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">inline <span class="code-snippet__keyword">void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_release() <span class="code-snippet__keyword">noexcept{
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">if (--_M_use_count == <span class="code-snippet__number">0) {_M_dispose();
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">if (--_M_weak_count == <span class="code-snippet__number">0) _M_destroy();}
<span class="code-snippet_outer">}<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">virtual <span class="code-snippet__keyword">void _M_dispose() <span class="code-snippet__keyword">noexcept { <span class="code-snippet__keyword">delete _M_ptr; }
```
```
在shared\_ptr生命周期结束析构时会将引用计数减1，如果引用引用计数为0，会调用\_M\_dispose()函数进而释放托管对象内存。
\_M\_weak\_count是如何加减的
上面的代码中可以看见—\_M\_weak\_count为0时，会调用\_M\_destroy()函数，这里看看—\_M\_weak\_count是如何加减的。管理对象初始化时\_M\_weak\_count的初始值为1
-
```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">_Sp_counted_base() <span class="code-snippet__keyword">noexcept : _M_use_count(<span class="code-snippet__number">1), _M_weak_count(<span class="code-snippet__number">1) {}
```
```
注意当shared\_ptr拷贝或者移动时\_M\_weak\_count是不会增加的，它表示的是管理对象的计数，只有当\_\_M\_use\_count为0时\_M\_weak\_count才会减1，除此之外\_M\_weak\_count的数值是由weak\_ptr控制的。
由上面类图可以看见weak\_ptr内部其实和shared\_ptr内部持有的是同一个管理对象指针，即\_Sp\_counted\_base的指针，当weak\_ptr拷贝析构时候，\_Sp\_counted\_base内部的\_M\_weak\_count会相应加减。
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">__weak_count(<span class="code-snippet__keyword">const __weak_count& __r) <span class="code-snippet__keyword">noexcept : _M_pi(__r._M_pi){
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">if (_M_pi != <span class="code-snippet__literal">nullptr) _M_pi->_M_weak_add_ref();}
<span class="code-snippet_outer"><br></br>template <>
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">inline <span class="code-snippet__keyword">void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_weak_add_ref() <span class="code-snippet__keyword">noexcept{
<span class="code-snippet_outer"> ++_M_weak_count;}
<span class="code-snippet_outer"><br></br>~__weak_count() noexcept
<span class="code-snippet_outer">{if (_M_pi != nullptr) _M_pi->_M_weak_release();
<span class="code-snippet_outer">}<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">template <>inline void _Sp_counted_base<_S_single>::_M_weak_release() noexcept
<span class="code-snippet_outer">{if (--_M_weak_count == 0) _M_destroy();
<span class="code-snippet_outer">}<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__keyword">virtual <span class="code-snippet__keyword">void _M_destroy() <span class="code-snippet__keyword">noexcept { <span class="code-snippet__keyword">delete <span class="code-snippet__keyword">this; }
```
```
从代码中可以看出，weak\_ptr拷贝时\_M\_weak\_count加1，析构时\_M\_weak\_count减1，当\_M\_weak\_count为0时，表示不再需要管理对象来控制托管对象，调用\_M\_destroy()的delete this来释放管理对象内存。关于delete this，我们之后的文章会讲到。
weak\_ptr的expired()和lock()做了什么
-
-
-
-
```
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__function"><span class="code-snippet__keyword">bool <span class="code-snippet__title">expired<span class="code-snippet__params">() <span class="code-snippet__keyword">const <span class="code-snippet__keyword">noexcept{
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">return _M_refcount._M_get_use_count() == <span class="code-snippet__number">0;}
weak_ptr的expired()函数只是看了托管对象的引用计数是否为0，为0返回true
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer">__shared_ptr<_Tp, _Lp> lock() <span class="code-snippet__keyword">const <span class="code-snippet__keyword">noexcept{
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">return __shared_ptr<element_type, _Lp>(*<span class="code-snippet__keyword">this, <span class="code-snippet__built_in">std::nothrow);}
<span class="code-snippet_outer"><br></br>shared_ptr(const __weak_ptr<_Tp, _Lp>& r, std::nothrow_t)
<span class="code-snippet_outer"> : _M_refcount(__r._M_refcount, <span class="code-snippet__built_in">std::nothrow){
<span class="code-snippet_outer"> _M_ptr = _M_refcount._M_get_use_count() ? __r._M_ptr : <span class="code-snippet__literal">nullptr;}
weak_ptr的lock()函数是打算返回一个shared_ptr对象来延长托管对象的生命周期，这里返回后需要判断返回值是否为nullptr。 shared_from_this()是如何实现的
精简代码如下：
<pre class="code-snippet__js" data-lang="cpp">```
<span class="code-snippet_outer"><span class="code-snippet__class"><span class="code-snippet__keyword">class <span class="code-snippet__title">enable_shared_from_this{
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__built_in">shared_ptr<<span class="code-snippet__keyword">const _Tp> shared_from_this() <span class="code-snippet__keyword">const{
<span class="code-snippet_outer"> <span class="code-snippet__keyword">return <span class="code-snippet__built_in">shared_ptr<<span class="code-snippet__keyword">const _Tp>(<span class="code-snippet__keyword">this->_M_weak_this);}
<span class="code-snippet_outer"><br></br>mutable weak_ptr<_Tp> _M_weak_this;
<span class="code-snippet_outer">};
```
```
使用shared\_from\_this()的类需要继承enable\_shared\_from\_this类，enable\_shared\_from\_this类中持有一个类型为weak\_ptr的成员\_M\_weak\_this，调用shared\_from\_this()就是将内部持有的weak\_ptr转成了shared\_ptr。
总结
shared\_ptr内部使用\_\_shared\_count中的\_Sp\_counted\_base对象来控制托管指针，\_Sp\_counted\_base内部有\_M\_use\_count和\_M\_weak\_count，\_M\_use\_count表示托管指针的引用计数，\_M\_weak\_count表示\_Sp\_counted\_base的引用计数，\_M\_use\_count为0时候释放托管指针指向的内存，\_M\_weak\_count为0时释放\_Sp\_counted\_base指向的内存，这里\_Sp\_counted\_base的生命线一般不会短于shared\_ptr的生命线。
注意：文中所说的释放指针指向的内存不太准确，这里表示delete \*ptr，既调用析构函数又释放相应内存。
▼ 更多精彩推荐，请关注我们 ▼**·END·**
**代码精进之路**
代码精进之路，我们一起成长！
[RAII妙用之计算函数耗时](/jump/aHR0cDovL21wLndlaXhpbi5xcS5jb20vcz9fX2Jpej1NekkzTmpBMU9URXpNZz09Jm1pZD0yMjQ3NDgzODUyJmlkeD0xJnNuPTM0ZGRlODUzZDUzMDRmOGExNjVlODJlZmZlMjg3ZjNjJmNoa3NtPWViN2EwNzVmZGMwZDhlNDk3MWY1NWRjM2M0YWQ0Mzg4YTNjNzQ2NmM2ZGY1YTQ3YmNmYTgxNTEwZGUyMzBjZjIyMDY1Mjk4ZmVlMjYmc2NlbmU9MjEjd2VjaGF0X3JlZGlyZWN0)
[每日一题：堆箱子](/jump/aHR0cDovL21wLndlaXhpbi5xcS5jb20vcz9fX2Jpej1NekkzTmpBMU9URXpNZz09Jm1pZD0yMjQ3NDgzODUyJmlkeD0yJnNuPTllNGRkM2RiYWNmMTU4YTkxMTI2YTc0MWExN2JlYjkwJmNoa3NtPWViN2EwNzVmZGMwZDhlNDljNDI2YzFmNWYzNTkxMzQxNGI4MzZkZmMxMjAwMTZlOWJjMmQyOTQ1ZjEyZTdjZDQ0ZTQ4ZGZmZTg1ZTMmc2NlbmU9MjEjd2VjaGF0X3JlZGlyZWN0)
[深入浅出虚拟内存](/jump/aHR0cDovL21wLndlaXhpbi5xcS5jb20vcz9fX2Jpej1NekkzTmpBMU9URXpNZz09Jm1pZD0yMjQ3NDgzODQwJmlkeD0xJnNuPTQ4YTViYTE4MGM2MTg3NzEzNDM0NDA4NGUyNWQyN2Y0JmNoa3NtPWViN2EwNzUzZGMwZDhlNDUwZGNmZTNhNmQ2YjA0MDVjMDQzYjYwOTQ0MTczNTEwODM2MDQ5ODAyZDQ4ODI4ZTM2NmQ0N2Q4ODY3NGUmc2NlbmU9MjEjd2VjaGF0X3JlZGlyZWN0)
[深入浅出虚拟内存（二）绘制虚拟内存排布图](/jump/aHR0cDovL21wLndlaXhpbi5xcS5jb20vcz9fX2Jpej1NekkzTmpBMU9URXpNZz09Jm1pZD0yMjQ3NDgzODQwJmlkeD0yJnNuPWZmNDk4YmFkZDEzOGQ4OTdjM2QxOTI4NGI0ZGRjOGY5JmNoa3NtPWViN2EwNzUzZGMwZDhlNDUxNGM2MTMxOTljMzNmZDFjNjA0Y2I4ZTJmMjdmNmU0MzYyZDA5ZmE1Mzc2YTZkY2RlYTJkNmI3M2Q1Mzgmc2NlbmU9MjEjd2VjaGF0X3JlZGlyZWN0)
[深入浅出虚拟内存（三）堆内存分配及malloc实现原理](/jump/aHR0cDovL21wLndlaXhpbi5xcS5jb20vcz9fX2Jpej1NekkzTmpBMU9URXpNZz09Jm1pZD0yMjQ3NDgzODQwJmlkeD0zJnNuPTM4OGVjZTdkMjc0YmJmZDY5ZTQ4ZDAxNzk1ZTA0ZDZmJmNoa3NtPWViN2EwNzUzZGMwZDhlNDUwODhhYTViNDAyZDJhZjY3OGRkZDVkOTFlYzQxYzg5NDU0OTg2YzA3NjAyZTk5MjVkYmYyZTA2ZGZjMTkmc2NlbmU9MjEjd2VjaGF0X3JlZGlyZWN0)
<a class="weapp_text_link js_weapp_entry" data-miniprogram-appid="wx3acabfc252730572" data-miniprogram-nickname="粉丝社" data-miniprogram-path="pages/index/index?id=117092" data-miniprogram-servicetype="" data-miniprogram-type="text" href="" style="font-size:17px;">点此留言</a>