Android智能指针分析（sp、wp）
2016-09-23 14:19
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在Android native编写代码时，会经常接触到sp、wp，sp并不是smart pointer的意思，而是strong point；wp就是weak pointer。这两个概念比较像JAVA中的强弱引用，使用sp和wp可以让编程人员不需要再关系内存的释放问题，防止内存泄露。下面先来看它们的类关系图：
要实现内存的自动释放，sp、wp必须结合RefBase这个类来使用，在Android中，大多数类的最上层基类都是RefBase类。我们举个简单的例子，然后顺着这个例子来分析RefBase、sp和wp四种不同的应用，并介绍其实现。
[cpp]
view plain
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class A : public RefBase
{
}
上面定义一个类A，继承与RefBase，下面我们首先来看RefBases的构造函数：
[cpp]
view plain
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RefBase::RefBase()
: mRefs(new weakref_impl(this))
{
}
weakref_impl(RefBase* base)
: mStrong(INITIAL_STRONG_VALUE)
, mWeak(0)
, mBase(base)
, mFlags(0)
{
}
在RefBase中，首先构造weakref_impl对象，在weakref_impl对mStong和mWeak进行强弱引用计数赋初始值，INITIAL_STRONG_VALUE是0X10000000，这里不直接赋初始值为0，是方便我们区分，0到底是初始化的值，还是在sp释放后再变为0，方便做不同的处理。
列举第一种应用：只有sp指针，没有wp指针的应用
{
sp<A> spA(new A);
}
首先来看sp的构造函数：
[cpp]
view plain
copy
template<typename T>
sp<T>::sp(T* other)
: m_ptr(other) {
if (other)
other->incStrong(this);
}
首先将实际的A对象的指针赋给m_ptr，然后调用A对象的incStrong方法，由上面的类图关系，我们知道这里会调用RefBase的incStrong方法：
[cpp]
view plain
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void RefBase::incStrong(const void* id) const
{
weakref_impl* const refs = mRefs;
refs->incWeak(id);
refs->addStrongRef(id);
const int32_t c = android_atomic_inc(&refs->mStrong);
ALOG_ASSERT(c > 0, "incStrong() called on %p after last strong ref", refs);
if (c != INITIAL_STRONG_VALUE) {
return;
}
android_atomic_add(-INITIAL_STRONG_VALUE, &refs->mStrong);
refs->mBase->onFirstRef();
}
这里首先调用weakref_impl的incWeak方法来增加弱指针引用数；addStrongRef用于debug版本，正式版中没有实现；android_atomic_inc是一个原子操作，增加refs->mStrong的强指针引用数，并返回原值；如果是第一次引用改对象，则还会调用A对象的onFirstRef方法。首先来看incWeak的实现：
[cpp]
view plain
copy
void RefBase::weakref_type::incWeak(const void* id)
{
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
impl->addWeakRef(id);
const int32_t c = android_atomic_inc(&impl->mWeak);
ALOG_ASSERT(c >= 0, "incWeak called on %p after last weak ref", this);
}
这里还是调用android_atomic_inc去增加weakref_impl的mWeak计数。经过构造函数，mStong和mWeak的计数都变成了1。当spA对象退出作用域以后，就会调用其析构函数来释放这个对象：
[cpp]
view plain
copy
template<typename T>
sp<T>::~sp() {
if (m_ptr)
m_ptr->decStrong(this);
}
void RefBase::decStrong(const void* id) const
{
weakref_impl* const refs = mRefs;
refs->removeStrongRef(id);
const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);
ALOG_ASSERT(c >= 1, "decStrong() called on %p too many times", refs);
if (c == 1) {
refs->mBase->onLastStrongRef(id);
if ((refs->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
delete this;
}
}
refs->decWeak(id);
}
sp对象的析构函数调用RefBase的decStrong来减少强弱引用指针计数。weakref_impl的removeStrongRef用于debug版本；调用android_atomic_dec减少mStrong计数并返回原值，如果mStrong之前为1了，这是再减少，说明已经没有其它sp指针引用了，这时候首先调用A对象的onLastStrongRef方法，如果Flag设定的是当前对象的生命周期由sp指针决定（这也是default的设定），则释放掉A对象；然后调用weakref_impl的decWeak去减少弱引用指针计数：
[cpp]
view plain
copy
void RefBase::weakref_type::decWeak(const void* id)
{
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
impl->removeWeakRef(id);
const int32_t c = android_atomic_dec(&impl->mWeak);
ALOG_ASSERT(c >= 1, "decWeak called on %p too many times", this);
if (c != 1) return;
if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
if (impl->mStrong == INITIAL_STRONG_VALUE) {
delete impl->mBase;
} else {
delete impl;
}
} else {
impl->mBase->onLastWeakRef(id);
if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_WEAK) {
delete impl->mBase;
}
}
}
weakref_impl的removeWeakRef方法也是用于debug版本；然后调用android_atomic_dec去减少mWeak计数，如果mWeak之前不等于1，表示还有其它的wp引用，这里就直接返回。如果这里的mWeak等于1，说明已经没有其它sp和wp的引用了，所以这里要去释放A对象和weakref_impl对象。
来看判断是否释放的逻辑，如果Flag设定当前对象的生命周期由sp指针决定，并且之前没有初始化过任何sp对象，则直接删除A对象；如果之前由初始化过sp对象，则删除weakref_impl本身，A对象会在RefBase的decStrong中被释放。如果Flag设定当前对象的生命周期由wp指针决定，则首先调用A对象的onLastWeakRef方法，然后删除对象A。在删除对象A的时候，都会调用RefBase的析构函数，我们再来分析RefBase的系统函数：
[cpp]
view plain
copy
RefBase::~RefBase()
{
if (mRefs->mStrong == INITIAL_STRONG_VALUE) {
delete mRefs;
} else {
if ((mRefs->mFlags & OBJECT_LIFETIME_MASK) != OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
if (mRefs->mWeak == 0) {
delete mRefs;
}
}
}
const_cast<weakref_impl*&>(mRefs) = NULL;
}
如果没有初始化过sp对象，则删除mRefs对象；如果Flag设定当前对象的生命周期由wp指针决定并且mWeak计数为0，也删除mRefs对象。
列举第二种应用：只有wp指针，没有sp指针的应用
{
wp<A> wpA(new A);
}
首先来看wp的构造方法：
[cpp]
view plain
copy
template<typename T>
wp<T>::wp(const sp<T>& other)
: m_ptr(other.m_ptr)
{
if (m_ptr) {
m_refs = m_ptr->createWeak(this);
}
}
首先将A对象的指针赋予给m_ptr，可见在sp和wp中都保存有A对象的实际指针，但wp中并没有重载"->"，所以wp并不能直接调用A对象的方法，并且由前面sp的知识，我们知道，在decStrong的时候，有可能A对象会被释放，并不会care 是否存在wp的引用。然后调用A对象的createWeak方法，实际上是调用RefBase的这个方法。注意的是在wp中，m_refs是weakref_type的指针；而在RefBase中，mRefs是weakref_impl的指针，所以在下面的代码返回时要注意类型的转型。
[cpp]
view plain
copy
RefBase::weakref_type* RefBase::createWeak(const void* id) const
{
mRefs->incWeak(id);
return mRefs;
}
void RefBase::weakref_type::incWeak(const void* id)
{
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
impl->addWeakRef(id);
const int32_t c = android_atomic_inc(&impl->mWeak);
ALOG_ASSERT(c >= 0, "incWeak called on %p after last weak ref", this);
}
这里只会增加mWeak 计数，这是mStrong等于INITIAL_STRONG_VALUE，mWeak等于1。当wpA退出作用域后，调用wp的析构函数：
[cpp]
view plain
copy
template<typename T>
wp<T>::~wp()
{
if (m_ptr) m_refs->decWeak(this);
}
decWeak函数我们上面讲过，如果Flag设定当前对象的生命周期由sp指针决定，并且之前没有初始化过任何sp对象，则直接删除A对象；并在RefBase的析构函数中取释放mRefs对象。
列举第三种应用：既有sp指针，又有wp指针的应用
{
sp<A> spA(new A)
wp<A> wpA(spA);
}
从上面它们的构造函数我们知道，这是mStong等于1，mWeak等于2。在spA和wpA退出作用域时，首先调用wp的析构函数，再调用sp的析构函数。在wp析构函数中，只会减少mWeak计数为1，然后就然后了。再到sp的析构函数中，就和我们前面介绍的第一种应用一样了。
列举第四种应用：wp指针如果调用对象的方法
前面说过在wp中并没有重载"->"，所以wp并不能直接调用A对象的方法，并且由前面sp的知识，我们知道，在decStrong的时候，有可能A对象会被释放，所以在wp中想要调用A对象的方法，必须获得sp指针，这是通过wp的promote方法实现的：
[cpp]
view plain
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template<typename T>
sp<T> wp<T>::promote() const
{
sp<T> result;
if (m_ptr && m_refs->attemptIncStrong(&result)) {
result.set_pointer(m_ptr);
}
return result;
}
这里调用weakref_type的attemptIncStrong方法去尝试增加mStrong计数：
[cpp]
view plain
copy
bool RefBase::weakref_type::attemptIncStrong(const void* id)
{
incWeak(id);
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
int32_t curCount = impl->mStrong;
while (curCount > 0 && curCount != INITIAL_STRONG_VALUE) {
if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount+1, &impl->mStrong) == 0) {
break;
}
curCount = impl->mStrong;
}
if (curCount <= 0 || curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
if (curCount <= 0) {
decWeak(id);
return false;
}
while (curCount > 0) {
if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount + 1,
&impl->mStrong) == 0) {
break;
}
curCount = impl->mStrong;
}
if (curCount <= 0) {
decWeak(id);
return false;
}
} else {
if (!impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id)) {
decWeak(id);
return false;
}
curCount = android_atomic_inc(&impl->mStrong);
}
if (curCount > 0 && curCount < INITIAL_STRONG_VALUE) {
impl->mBase->onLastStrongRef(id);
}
}
impl->addStrongRef(id);
curCount = impl->mStrong;
while (curCount >= INITIAL_STRONG_VALUE) {
if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount-INITIAL_STRONG_VALUE,
&impl->mStrong) == 0) {
break;
}
curCount = impl->mStrong;
}
return true;
}
首先调用incWeak来增加mWeak计数，因为这里需要获取sp指针，在sp的构造函数我们知道，会同时增加mWeak和mStrong值。然后根据mStong值分两种情况讨论：
1. 当前面存在sp的引用，即curCount > 0 && curCount != INITIAL_STRONG_VALUE，这时直接让mStrong加1。
2.当前面不存在sp的引用，需要结合Flag去判断。又分为以下几种情况：
一. Flag = OBJECT_LIFETIME_STRONG，并且curCount等于0。说明之前的sp对象已经释放，由前面的知识我们知道，在释放sp对象的同时也会释放对象A，所以这里调用decWeak来释放前面增加的一次mWeak值并返回false
二.Flag = OBJECT_LIFETIME_STRONG，并且curCount = INITIAL_STRONG_VALUE，说明前面没有sp引用，这时我们可以增加mStrong值。
三.Flag = OBJECT_LIFETIME_WEAK，并且curCount <= 0 || curCount == INITIAL_STRONG_VALUE，则调用RefBase的onIncStrongAttempted去尝试增加mStrong值
当上面任何一种情况增加了mStrong值以后，mSrong的值可能大于INITIAL_STRONG_VALUE，我们需要去修正mStrong，就是通过减去INITIAL_STRONG_VALUE计算。当attemptIncStrong返回true时，promote方法就会调用sp的set_pointer方法去设置StrongPointer中的实际A对象的指针。接下来就可以通过sp调用相关的方法了。
要实现内存的自动释放，sp、wp必须结合RefBase这个类来使用，在Android中，大多数类的最上层基类都是RefBase类。我们举个简单的例子，然后顺着这个例子来分析RefBase、sp和wp四种不同的应用，并介绍其实现。
[cpp]
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copy
class A : public RefBase
{
}
上面定义一个类A，继承与RefBase，下面我们首先来看RefBases的构造函数：
[cpp]
view plain
copy
RefBase::RefBase()
: mRefs(new weakref_impl(this))
{
}
weakref_impl(RefBase* base)
: mStrong(INITIAL_STRONG_VALUE)
, mWeak(0)
, mBase(base)
, mFlags(0)
{
}
在RefBase中，首先构造weakref_impl对象，在weakref_impl对mStong和mWeak进行强弱引用计数赋初始值，INITIAL_STRONG_VALUE是0X10000000，这里不直接赋初始值为0，是方便我们区分，0到底是初始化的值，还是在sp释放后再变为0，方便做不同的处理。
列举第一种应用：只有sp指针，没有wp指针的应用
{
sp<A> spA(new A);
}
首先来看sp的构造函数：
[cpp]
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copy
template<typename T>
sp<T>::sp(T* other)
: m_ptr(other) {
if (other)
other->incStrong(this);
}
首先将实际的A对象的指针赋给m_ptr，然后调用A对象的incStrong方法，由上面的类图关系，我们知道这里会调用RefBase的incStrong方法：
[cpp]
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copy
void RefBase::incStrong(const void* id) const
{
weakref_impl* const refs = mRefs;
refs->incWeak(id);
refs->addStrongRef(id);
const int32_t c = android_atomic_inc(&refs->mStrong);
ALOG_ASSERT(c > 0, "incStrong() called on %p after last strong ref", refs);
if (c != INITIAL_STRONG_VALUE) {
return;
}
android_atomic_add(-INITIAL_STRONG_VALUE, &refs->mStrong);
refs->mBase->onFirstRef();
}
这里首先调用weakref_impl的incWeak方法来增加弱指针引用数；addStrongRef用于debug版本，正式版中没有实现；android_atomic_inc是一个原子操作，增加refs->mStrong的强指针引用数，并返回原值；如果是第一次引用改对象，则还会调用A对象的onFirstRef方法。首先来看incWeak的实现：
[cpp]
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copy
void RefBase::weakref_type::incWeak(const void* id)
{
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
impl->addWeakRef(id);
const int32_t c = android_atomic_inc(&impl->mWeak);
ALOG_ASSERT(c >= 0, "incWeak called on %p after last weak ref", this);
}
这里还是调用android_atomic_inc去增加weakref_impl的mWeak计数。经过构造函数，mStong和mWeak的计数都变成了1。当spA对象退出作用域以后，就会调用其析构函数来释放这个对象：
[cpp]
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copy
template<typename T>
sp<T>::~sp() {
if (m_ptr)
m_ptr->decStrong(this);
}
void RefBase::decStrong(const void* id) const
{
weakref_impl* const refs = mRefs;
refs->removeStrongRef(id);
const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);
ALOG_ASSERT(c >= 1, "decStrong() called on %p too many times", refs);
if (c == 1) {
refs->mBase->onLastStrongRef(id);
if ((refs->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
delete this;
}
}
refs->decWeak(id);
}
sp对象的析构函数调用RefBase的decStrong来减少强弱引用指针计数。weakref_impl的removeStrongRef用于debug版本；调用android_atomic_dec减少mStrong计数并返回原值，如果mStrong之前为1了，这是再减少，说明已经没有其它sp指针引用了，这时候首先调用A对象的onLastStrongRef方法，如果Flag设定的是当前对象的生命周期由sp指针决定（这也是default的设定），则释放掉A对象；然后调用weakref_impl的decWeak去减少弱引用指针计数：
[cpp]
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copy
void RefBase::weakref_type::decWeak(const void* id)
{
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
impl->removeWeakRef(id);
const int32_t c = android_atomic_dec(&impl->mWeak);
ALOG_ASSERT(c >= 1, "decWeak called on %p too many times", this);
if (c != 1) return;
if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
if (impl->mStrong == INITIAL_STRONG_VALUE) {
delete impl->mBase;
} else {
delete impl;
}
} else {
impl->mBase->onLastWeakRef(id);
if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_WEAK) {
delete impl->mBase;
}
}
}
weakref_impl的removeWeakRef方法也是用于debug版本；然后调用android_atomic_dec去减少mWeak计数，如果mWeak之前不等于1，表示还有其它的wp引用，这里就直接返回。如果这里的mWeak等于1，说明已经没有其它sp和wp的引用了，所以这里要去释放A对象和weakref_impl对象。
来看判断是否释放的逻辑，如果Flag设定当前对象的生命周期由sp指针决定，并且之前没有初始化过任何sp对象，则直接删除A对象；如果之前由初始化过sp对象，则删除weakref_impl本身，A对象会在RefBase的decStrong中被释放。如果Flag设定当前对象的生命周期由wp指针决定，则首先调用A对象的onLastWeakRef方法，然后删除对象A。在删除对象A的时候，都会调用RefBase的析构函数，我们再来分析RefBase的系统函数：
[cpp]
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RefBase::~RefBase()
{
if (mRefs->mStrong == INITIAL_STRONG_VALUE) {
delete mRefs;
} else {
if ((mRefs->mFlags & OBJECT_LIFETIME_MASK) != OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
if (mRefs->mWeak == 0) {
delete mRefs;
}
}
}
const_cast<weakref_impl*&>(mRefs) = NULL;
}
如果没有初始化过sp对象，则删除mRefs对象；如果Flag设定当前对象的生命周期由wp指针决定并且mWeak计数为0，也删除mRefs对象。
列举第二种应用：只有wp指针，没有sp指针的应用
{
wp<A> wpA(new A);
}
首先来看wp的构造方法：
[cpp]
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copy
template<typename T>
wp<T>::wp(const sp<T>& other)
: m_ptr(other.m_ptr)
{
if (m_ptr) {
m_refs = m_ptr->createWeak(this);
}
}
首先将A对象的指针赋予给m_ptr，可见在sp和wp中都保存有A对象的实际指针，但wp中并没有重载"->"，所以wp并不能直接调用A对象的方法，并且由前面sp的知识，我们知道，在decStrong的时候，有可能A对象会被释放，并不会care 是否存在wp的引用。然后调用A对象的createWeak方法，实际上是调用RefBase的这个方法。注意的是在wp中，m_refs是weakref_type的指针；而在RefBase中，mRefs是weakref_impl的指针，所以在下面的代码返回时要注意类型的转型。
[cpp]
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copy
RefBase::weakref_type* RefBase::createWeak(const void* id) const
{
mRefs->incWeak(id);
return mRefs;
}
void RefBase::weakref_type::incWeak(const void* id)
{
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
impl->addWeakRef(id);
const int32_t c = android_atomic_inc(&impl->mWeak);
ALOG_ASSERT(c >= 0, "incWeak called on %p after last weak ref", this);
}
这里只会增加mWeak 计数，这是mStrong等于INITIAL_STRONG_VALUE，mWeak等于1。当wpA退出作用域后，调用wp的析构函数：
[cpp]
view plain
copy
template<typename T>
wp<T>::~wp()
{
if (m_ptr) m_refs->decWeak(this);
}
decWeak函数我们上面讲过，如果Flag设定当前对象的生命周期由sp指针决定，并且之前没有初始化过任何sp对象，则直接删除A对象；并在RefBase的析构函数中取释放mRefs对象。
列举第三种应用：既有sp指针，又有wp指针的应用
{
sp<A> spA(new A)
wp<A> wpA(spA);
}
从上面它们的构造函数我们知道，这是mStong等于1，mWeak等于2。在spA和wpA退出作用域时，首先调用wp的析构函数，再调用sp的析构函数。在wp析构函数中，只会减少mWeak计数为1，然后就然后了。再到sp的析构函数中，就和我们前面介绍的第一种应用一样了。
列举第四种应用：wp指针如果调用对象的方法
前面说过在wp中并没有重载"->"，所以wp并不能直接调用A对象的方法，并且由前面sp的知识，我们知道，在decStrong的时候，有可能A对象会被释放，所以在wp中想要调用A对象的方法，必须获得sp指针，这是通过wp的promote方法实现的：
[cpp]
view plain
copy
template<typename T>
sp<T> wp<T>::promote() const
{
sp<T> result;
if (m_ptr && m_refs->attemptIncStrong(&result)) {
result.set_pointer(m_ptr);
}
return result;
}
这里调用weakref_type的attemptIncStrong方法去尝试增加mStrong计数：
[cpp]
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copy
bool RefBase::weakref_type::attemptIncStrong(const void* id)
{
incWeak(id);
weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
int32_t curCount = impl->mStrong;
while (curCount > 0 && curCount != INITIAL_STRONG_VALUE) {
if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount+1, &impl->mStrong) == 0) {
break;
}
curCount = impl->mStrong;
}
if (curCount <= 0 || curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
if (curCount <= 0) {
decWeak(id);
return false;
}
while (curCount > 0) {
if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount + 1,
&impl->mStrong) == 0) {
break;
}
curCount = impl->mStrong;
}
if (curCount <= 0) {
decWeak(id);
return false;
}
} else {
if (!impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id)) {
decWeak(id);
return false;
}
curCount = android_atomic_inc(&impl->mStrong);
}
if (curCount > 0 && curCount < INITIAL_STRONG_VALUE) {
impl->mBase->onLastStrongRef(id);
}
}
impl->addStrongRef(id);
curCount = impl->mStrong;
while (curCount >= INITIAL_STRONG_VALUE) {
if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount-INITIAL_STRONG_VALUE,
&impl->mStrong) == 0) {
break;
}
curCount = impl->mStrong;
}
return true;
}
首先调用incWeak来增加mWeak计数，因为这里需要获取sp指针，在sp的构造函数我们知道，会同时增加mWeak和mStrong值。然后根据mStong值分两种情况讨论：
1. 当前面存在sp的引用，即curCount > 0 && curCount != INITIAL_STRONG_VALUE，这时直接让mStrong加1。
2.当前面不存在sp的引用，需要结合Flag去判断。又分为以下几种情况：
一. Flag = OBJECT_LIFETIME_STRONG，并且curCount等于0。说明之前的sp对象已经释放，由前面的知识我们知道，在释放sp对象的同时也会释放对象A，所以这里调用decWeak来释放前面增加的一次mWeak值并返回false
二.Flag = OBJECT_LIFETIME_STRONG，并且curCount = INITIAL_STRONG_VALUE，说明前面没有sp引用，这时我们可以增加mStrong值。
三.Flag = OBJECT_LIFETIME_WEAK，并且curCount <= 0 || curCount == INITIAL_STRONG_VALUE，则调用RefBase的onIncStrongAttempted去尝试增加mStrong值
当上面任何一种情况增加了mStrong值以后，mSrong的值可能大于INITIAL_STRONG_VALUE，我们需要去修正mStrong，就是通过减去INITIAL_STRONG_VALUE计算。当attemptIncStrong返回true时，promote方法就会调用sp的set_pointer方法去设置StrongPointer中的实际A对象的指针。接下来就可以通过sp调用相关的方法了。
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