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shared_ptr智能指针源码剖析

2013-12-25 09:07 459 查看

shared_ptr智能指针源码剖析

发表于11个月前(2013-01-19 16:47) 阅读（2416） | 评论（1） 23人收藏此文章, 我要收藏

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c++ 智能指针 shared_ptr 源码剖析线程安全

前几天有个人问了我一个问题：如何将一个智能指针作为函数的返回值传递出来。当时这个问题一下子把我问倒了，后来经人提醒有一个叫shared_ptr的智能指针可以解决这个问题。

将shared_ptr作为函数返回值的代码是这样的：

01	#include <tr1/memory>

02	#include <stdio.h>

04	using std::tr1::shared_ptr;

07	shared_ptr< int > ReturnSharedPtr()

09	shared_ptr< int > p( new int (1000));

10	return p;

13	int main()

15	shared_ptr< int > p1 = ReturnSharedPtr();

16	printf ( "%d\n" , *p1);

17	return 0;

在g++4.3版本以上编译通过。shared_ptr头文件的位置有点古怪，在我的DEBIAN(squeeze）机器上的这个地方：/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h，所以使用时要

1	#include <tr1/memory>

而且shared_ptr被包装在std::tr1这个名字空间内。所以使用的时候和一般的stl模板的方式不大一样，
要using std::tr1这个namespace。也可以用一个编译器选项去掉这种古怪的定义方法，具体是那个选项我查不到了。请了解的人帮忙指正一下。

shared_ptr的实现

看了一下stl的源码，shared_ptr的实现是这样的: shared_ptr模板类有一个__shared_count类型的成员_M_refcount来处理引用计数的问题。__shared_count也是一个模板类，它的内部有一个指向Sp_counted_base_impl类型的指针_M_pi。所有引用同一个对象的shared_ptr都共用一个_M_pi指针。

当一个shared_ptr拷贝复制时， _M_pi指针调用_M_add_ref_copy（）函数将引用计数+1。当shared_ptr析构时，_M_pi指针调用_M_release()函数将引用计数-1。 _M_release()函数中会判断引用计数是否为0. 如果引用计数为0，则将shared_ptr引用的对象内存释放掉。

1	__shared_count( const __shared_count& __r)

2	: _M_pi(__r._M_pi) // nothrow

4	if (_M_pi != 0)

5	_M_pi->_M_add_ref_copy();

6	COSTA_DEBUG_REFCOUNT;

这是__shared_count拷贝复制时的代码。首先将参数__r的_M_pi指针赋值给自己，然后判断指针是否为NULL，如果不为null 则增加引用计数。COSTA_DEBUG_REFCOUNT和COSTA_DEBUG_SHAREDPTR是我为了打印引用计数的调试代码，会打印文件行号和当前引用计数的值。

1	#define COSTA_DEBUG_REFCOUNT fprintf(stdout,"%s:%d costaxu debug refcount: %d\n", __FILE__,__LINE__,_M_pi->_M_get_use_count());

4	#define COSTA_DEBUG_SHAREDPTR fprintf(stdout,"%s:%d costaxu debug \n", __FILE__,__LINE__);

01	__shared_count&

02	operator=( const __shared_count& __r) // nothrow

04	_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;

05	if (__tmp != _M_pi)

07	if (__tmp != 0)

08	__tmp->_M_add_ref_copy();

09	if (_M_pi != 0)

10	_M_pi->_M_release();

11	_M_pi = __tmp;

13	COSTA_DEBUG_REFCOUNT;

14	return * this ;

这是__share_count重载赋值操作符的代码。首先，判断等号左右两边的__share_count是否引用同一个对象。如果引用同一个对象(__tmp==_M_pi)，那么引用计数不变，什么都不用做。如果不是的话，就把等号左边的share_ptr的引用计数-1，将等号右边的引用计数+1
。例如：有两个shared_ptr p1和p2, 运行p1= p2 。假如p1和p2是引用同一个对象的，那么引用计数不变。如果p1和p2是指向不同对象的，那么p1所指向对象的引用计数-1， p2指向对象的引用计数+1。

1	~__shared_count() // nothrow

3	if (_M_pi != 0)

4	_M_pi->_M_release();

6	COSTA_DEBUG_REFCOUNT;

上面是__share_count的析构函数，其实析构函数只是调用了_M_pi的_M_release这个成员函数。_M_release这个函数，除了会将引用计数-1之外，还会判断是否引用计数为0，如果为0就调用_M_dispose()函数。 _M_dispose函数会将share_ptr引用的对象释放内存。

1	virtual void

2	_M_dispose() // nothrow

4	COSTA_DEBUG_SHAREDPTR;

5	_M_del(_M_ptr);

_M_del是在构造_M_pi时候就初始化好的内存回收函数， _M_ptr就是shared_ptr引用的对象指针。

下面是我写的一段简单的测试代码:

01	#include <stdio.h>

02	#include <tr1/memory>

04	using std::tr1::shared_ptr;

07	shared_ptr< int > ReturnSharedPtr()

09	shared_ptr< int > p( new int (1000));

10	shared_ptr< int > p2(p);

11	shared_ptr< int > p3=p;

12	shared_ptr< int > p4;

p4=p2;

14	return p;

17	int main()

19	shared_ptr< int > p1 = ReturnSharedPtr();

20	printf ( "%d\n" , *p1);

21	return 0;

下面是运行结果：

shared_ptr.h 169行是__shared_count拷贝构造时增加引用计数，184行是__shared_count赋值操作，161行是__share_count的析构时减少引用计数， 79行是释放引用对象的内存。

1	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:169 costaxu debug refcount: 2

2	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:169 costaxu debug refcount: 3

3	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:184 costaxu debug refcount: 4

4	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 3

5	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 2

6	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 1

8	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:79 costaxu debug

9	/usr/include/c++/4.4/tr1/shared_ptr.h:161 costaxu debug refcount: 0

shared_ptr线程安全性问题

关于shared_ptr的线程安全性。查了一些网上的资料，有的说是安全的，有的说不安全。引用CSDN上一篇比较老的帖子，它是这样说的：

“Boost 文档对于 shared_ptr 的线程安全有一段专门的记述，内容如下：

shared_ptr objects offer the same level of thread safety as built-in types. A shared_ptr instance can be "read" (accessed using only const operations) simultaneously by multiple threads. Different shared_ptr instances can be "written to" (accessed using mutable operations such as operator= or reset) simultaneosly by multiple threads (even when these instances are copies, and share the same reference count underneath.)

Any other simultaneous accesses result in undefined behavior.

翻译为中文如下：

shared_ptr 对象提供与内建类型一样的线程安全级别。一个 shared_ptr 实例可以同时被多个线程“读”（仅使用不变操作进行访问）。不同的 shared_ptr 实例可以同时被多个线程“写入”（使用类似 operator= 或 reset 这样的可变操作进行访问）（即使这些实例是拷贝，而且共享下层的引用计数）。

任何其它的同时访问的结果会导致未定义行为。”

这几句话比较繁琐，我总结一下它的意思：

1 同一个shared_ptr被多个线程“读”是安全的。

2 同一个shared_ptr被多个线程“写”是不安全的。

3 共享引用计数的不同的shared_ptr被多个线程”写“ 是安全的。

如何印证上面的观点呢？

其实第一点我觉得比较多余。因为在多个线程中读同一个对象，在正常情况下不会有什么问题。

所以问题就是：如何写程序证明同一个shared_ptr被多个线程"写"是不安全的？

我的思路是，在多个线程中同时对一个shared_ptr循环执行两遍swap。 shared_ptr的swap函数的作用就是和另外一个shared_ptr交换引用对象和引用计数，是写操作。执行两遍swap之后, shared_ptr引用的对象的值应该不变。

程序如下：

01	#include <stdio.h>

02	#include <tr1/memory>

03	#include <pthread.h>

05	using std::tr1::shared_ptr;

07	shared_ptr< int > gp( new int (2000));

09	shared_ptr< int > CostaSwapSharedPtr1(shared_ptr< int > & p)

11	shared_ptr< int > p1(p);

12	shared_ptr< int > p2( new int (1000));

13	p1.swap(p2);

14	p2.swap(p1);

15	return p1;

18	shared_ptr< int > CostaSwapSharedPtr2(shared_ptr< int > & p)

20	shared_ptr< int > p2( new int (1000));

21	p.swap(p2);

22	p2.swap(p);

23	return p;

27	void * thread_start( void * arg)

29	int i =0;

30	for (;i<100000;i++)

32	shared_ptr< int > p= CostaSwapSharedPtr2(gp);

33	if (*p!=2000)

35	printf ( "Thread error. gp=%d \n" , gp);

break

39	printf ( "Thread quit \n" );

40	return 0;

45	int main()

47	pthread_t thread ;

48	int thread_num = 10, i=0;

49	pthread_t* threads = new pthread_t[thread_num];

50	for (;i<thread_num;i++)

51	pthread_create(&threads[i], 0 , thread_start , &i);

52	for (i=0;i<thread_num;i++)

53	pthread_join(threads[i],0);

54	delete [] threads;

55	return 0;

这个程序中我启了10个线程。每个线程调用10万次 CostaSwapSharedPtr2函数。在CostaSwapSharePtr2函数中，对同一个share_ptr全局变量gp进行两次swap（写操作），在函数返回之后检查gp的值是否被修改。如果gp值被修改，则证明多线程对同一个share_ptr执行写操作是不安全的。

程序运行的结果如下：

01	Thread error. *gp=1000

02	Thread error. *gp=1000

03	Thread quit

04	Thread quit

05	Thread error. *gp=1000

06	Thread quit

07	Thread error. *gp=1000

08	Thread quit

09	Thread error. *gp=1000

10	Thread quit

11	Thread error. *gp=1000

12	Thread quit

13	Thread error. *gp=1000

14	Thread quit

15	Thread error. *gp=1000

16	Thread quit

17	Thread error. *gp=1000

18	Thread quit

19	Thread quit

10个线程有9个出错。证明多线程对同一个share_ptr执行写操作是不安全的。我们在程序中，如果不运行CostaSwapSharedPtr2，改成运行CostaSwapSharedPtr1呢？ CostaSwapSharedPtr1和CostaSwapSharedPtr2的区别在于，
它不是直接对全局变量gp进行写操作，而是将gp拷贝出来一份再进行写操作。运行的结果如下：

01	costa@pepsi:~/test/cpp/shared_ptr$ ./b

02	Thread quit

03	Thread quit

04	Thread quit

05	Thread quit

06	Thread quit

07	Thread quit

08	Thread quit

09	Thread quit

10	Thread quit

11	Thread quit

跑了很多次都没有出错。说明共享引用计数的不同的shared_ptr执行swap是线程安全的。BOOST文档是可信的。

补充一个问题：为什么shared_ptr可以作为STL标准容器的元素，而auto_ptr不可以

这篇文章小结一下：

1 shared_ptr是一个非常实用的智能指针。

2 shared_ptr的实现机制是在拷贝构造时使用同一份引用计数。

3 对同一个shared_ptr的写操作不是线程安全的。对使用同一份引用计数的不同shared_ptr是线程安全的。

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