模拟实现简易unique_ptr例程

原理:封掉拷贝构造和赋值重载

namespace test {
    template<class T>
    class unique_ptr {
    public:
        unique_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr)
        {}
        ~unique_ptr() {
            delete _ptr;
            std::cout << "delete ptr" << "\n";
        }
        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }
        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

        //C++11封拷贝 
        unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
        unique_ptr<T>& operator = (const unique_ptr<T>&up) = delete;
    private:
        //C++98封拷贝
        //unique_ptr(const unique_ptr<T>& up); //C++98
        //unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&up);

        T* _ptr;
    };
}

shared_ptr

头文件shared_ptr

unique_ptr不能解决所有问题,还有一些场景是需要共享的.因此有了shared_ptr

核心原理:引用计数

技术实现分析:

• 引用计数实现

  每个资源应该配对一个引用计数.

  实现方法:动态申请一个int

• 能否使用static作为引用计数类型?

  不能.static虽然有共享性质,但是static是所有类共享一个,shared_ptr不仅仅只用于管理一个对象资源,还可能需要管理多个对象资源.如果使用static,管理多个资源的情况下,这些资源都会指向同一个计数了,因此不可以使用static.

• 线程安全

  1. 线程安全问题,智能指针只负责自身线程安全,并不负责资源的线程安全,资源的线程安全由资源自己负责.而引用计数是属于智能指针维护的,因此,智能指针的线程安全问题为引用计数的线程安全问题.即保护引用计数
  2. 锁的定义方式和_pRefCount一样.一份资源(此处资源为_pRefCount)对应一个.

• operator=实现较为复杂,具有任意性(可以多次赋值,拷贝只能一次)

  1. 如果使用赋值进行初始化,则和拷贝赋值一样.
  2. 如果是二次赋值,需要考虑有:
  • 新管理资源走拷贝构造一套.
  • 原先管理资源的引用计数减少.为0时需要析构(走一次析构)
  • 处理"自己"给"自己"赋值
    1. 智能指针对象相同,指向的资源相同
    2. 智能指针对象不同,指向的资源相同
       传统的方法(*this!=对象),只能处理第一种;而(*this._ptr != sp._ptr)能够兼容两种方法;
       注意:虽然处理逻辑和析构函数很像,但是C++中成员函数不能自己调用析构函数,因为肚子里的蛋不能杀的了鸡.
       如果需要提高复用性,可以将逻辑独立成一个函数,然后析构和赋值重载都分别进行调用

模拟实现简易shared_ptr例程:

namespace test {
    template<class T>
    class shared_ptr {
    public:
        shared_ptr() : _ptr(nullptr),_pRefCount(new int(0)),_pmtx(new std::mutex)
        {}

        shared_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr),_pRefCount(new int(1)),_pmtx(new std::mutex)
        {}

        shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp) :_ptr(sp._ptr),_pRefCount(sp._pRefCount),_pmtx(sp._pmtx){
            AddRef();
        }


        ~shared_ptr() {
            Release();
        }

        shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
            if (_ptr != sp._ptr)
            {
                if (*_pRefCount == 0) //天生就为0的情况
                {}
                else {
                    Release();
                }

                _ptr = sp._ptr;
                _pRefCount = sp._pRefCount;
                _pmtx = sp._pmtx;
                AddRef();
            }
            return *this;
        }

        void Release() {
            _pmtx->lock();
            if (--(*_pRefCount) <= 0) {
                _pmtx->unlock();
                delete _ptr;
                delete _pRefCount;
                delete _pmtx;
                std::cout << "delete " << _ptr << "\n";
            }
            else {
                _pmtx->unlock();
            }
        }

        void AddRef() {
            _pmtx->lock();
            ++(*_pRefCount);
            _pmtx->unlock();
        }
        
        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }
        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

        T* get() {
            return _ptr;
        }

        int use_count() {
            return *_pRefCount;
        }


    private:
        T* _ptr;
        int* _pRefCount;
        std::mutex* _pmtx;
    };
}

多线程测试例程

void SharePtrFunc(test::shared_ptr<Date>& sp,size_t n)
{
    for (size_t i = 0; i < n; ++i)
    {
        test::shared_ptr<Date> copy(sp);
        copy->_year++;
        copy->_month++;
        copy->_day++;
    }
}

int main() {
    test::shared_ptr<Date> sp (new Date);

    const size_t n = 1000000;
    std::thread t1(SharePtrFunc,std::ref(sp),n);
    std::thread t2(SharePtrFunc,n);
    std::thread t3(SharePtrFunc,n);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    std::cout<<sp.use_count()<<"\n";
    std::cout<<sp->_year<<"\n";
    std::cout<<sp->_month<<"\n";
    std::cout<<sp->_day<<"\n";
    return 0;
}
//测试标准库: 包含头文件<memory>,将所有命名空间修改成std

测试结果:

shared_ptr线程安全.管理的资源不是线程安全.

shared_ptr循环引用问题

通过shared_ptr构建的链表节点.

struct ListNode
{
    int _data;
    std::shared_ptr<ListNode> _prev;
    std::shared_ptr<ListNode> _next;

    ~ListNode() { std::cout << "~ListNode()" << std::endl; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<ListNode> sp1 (new ListNode);
    std::shared_ptr<ListNode> sp2 (new ListNode);

    return 0;
}

当两个节点独立时,析构正常

单链表时,析构正常

当成环状时,不能正常析构.

原因图解分析:

weak_ptr

头文件weak_ptr

weak_ptr也叫弱指针.

weak_ptr的特点

• 它不是一个常规的智能指针,并不符合RAII
• 支持像指针一样使用
• 专门设计出来,辅助解决shared_ptr循环引用问题

weak_ptr的核心原理是不增加引用计数.

上述循环引用问题就是因为增加了内部引用增加了引用计数.我们需要一个不增加引用计数,又可以指向资源,像指针一样的东西,因此有了weak_ptr.

模拟实现简易weak_ptr

库中的shaerd_ptr和weak_ptr实现机制非常复杂.在这里仅模拟实现,复现出简单场景功能

template<class T> 
    class weak_ptr
    {
    public:
        weak_ptr()
            :_ptr(nullptr)
        {}

        weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
            :_ptr(sp.get())
        {}

        weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) 
        {
            _ptr = sp.get();
            return *this;
        }

        T& operator*()
        {
            return *_ptr;
        }

        T* operator->()
        {
            return _ptr;
        }

    private:
        T* _ptr;
    };
}

解决循环引用问题

struct ListNode{
    int _data;
    test::weak_ptr<ListNode> _prev;
    test::weak_ptr<ListNode> _next;

    ~ListNode() { std::cout << "~ListNode()" << std::endl; }
};

int main() {
    test::shared_ptr<ListNode> sp1(new ListNode);
    test::shared_ptr<ListNode> sp2(new ListNode);
    sp1->_next = sp2;
    sp2->_prev = sp1;
    return 0;
}

定制删除器

上述实现的析构方法,仅适用于析构delete.如果new了一个数组,则析构时程序会奔溃,因为析构数组需要delete[].因此需要定制删除器

定制删除器是一个可调用对象(函数指针,仿函数/函数对象,lambda表达式)

仿函数版本实现

template<class T>
struct DeleteArray {
    void operator()(T*ptr) {
        delete[] ptr;
    }
};

lambda版本实现

int main() {
    std::shared_ptr<Date> sp2(new Date[10],[](Date*ptr){delete[] ptr;});
    std::shared_ptr<FILE> sp3(fopen("test.cpp","r"),[](FILE* ptr) {
    	std::cout<<"fclose()"<<"\n"; fclose(ptr); });
    	
    return 0;
}

定制删除器版本shared_ptr模拟实现

namespace test {
    template<class T>
    class shared_ptr {
    public:
        shared_ptr() : _ptr(nullptr),_pmtx(sp._pmtx) {
            AddRef();
        }

        template<class T,class D>  //第二步
        shared_ptr(T* ptr,D del) : shared_ptr(ptr) {
            _del = del;
        }


        ~shared_ptr() {
            Release();
        }

        shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
            if (_ptr != sp._ptr)
            {
                if (*_pRefCount == 0) //天生就为0
                {
                }
                else {
                    Release();
                }

                _ptr = sp._ptr;
                _pRefCount = sp._pRefCount;
                _pmtx = sp._pmtx;
                AddRef();
            }
            return *this;
        }

        void Release() {
            _pmtx->lock();
            if (--(*_pRefCount) <= 0) {
                _pmtx->unlock();
                //delete _ptr;
                _del(_ptr); //第三步 
                delete _pRefCount;
                delete _pmtx;
                std::cout << "delete " << _ptr << "\n";
            }
            else {
                _pmtx->unlock();
            }
        }

        void AddRef() {
            _pmtx->lock();
            ++(*_pRefCount);
            _pmtx->unlock();
        }

        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }
        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

        T* get() const {
            return _ptr;
        }

        int use_count() const {
            return *_pRefCount;
        }

    private:
        T* _ptr;
        int* _pRefCount;
        std::mutex* _pmtx;
        std::function<void(T* ptr)> _del = [](T*ptr){delete ptr;}; //第一步:包装器+缺省
    };
}

make_shared

shared_ptr在创建过程中会申请空间两次,分别是管理的资源和强弱引用计数.这个过程中存在异常安全问题._如果new成功但强弱引用计数没有申请成功,则资源生命周期结束时可能不能正常析构,导致内存泄漏
C++11建议使用make_shared,不会出现异常,保证shared_ptr异常安全.
原理:make_shared将需要托管的资源和存储引用计数的资源合并成一块大内存进行申请. 要么都申请成功,要么都申请失败.
优点:

1. 内存分配效率更高.
2. 有效防止内存泄露.

缺点:

1. 无法自定义删除器.默认使用delete. 也就无法创建数组等非delete删除器支持的类型.
2. 导致托管的资源延迟释放.内存连续后,就算RefCnt为0,只要弱指针还不为零,即还有观察者时,资源就不会释放. 而直接new的shared_ptr只要RefCnt为0立即释放. (要么一起释放,要么都不释放)

代码演示:

int main(){
    std::shared_ptr<int> sp1(new int(10)); //需要两次申请内存,new int + new RefCnt
    auto bar = std::make_shared<int>(10);
    auto foo = std::make_shared<std::array<char,64>>();
    return 0;
}