shared_ptr 介绍

智能指针shared_ptr【无锁设计基于GCC】

shared_ptr 介绍

  使用过Boost的话对shared_ptr一定有很深的印象。多个shared_ptr指向同一个对象,每个shared_ptr会使对象的引用计数加+1,当引用计数为0时,
对象将被析构。本文实现一个简洁版本的shared_ptr,并没有太多跨平台特性,实现代码可以再GCC上运行。
本文中的引用计数由ref_count_t类实现,参见下文的详细分析。

shared_ptr 的构造

我们期望shared_ptr的行为尽量的接近原始指针的行为。所以shared_ptr应该支持三种构造方式

a. 空构造类似与void p =NULL;
b. shared_ptr可以通过原始对象指针构造,类似于void
p = q;
c. shared_ptr 可以通过已存在的shared_ptr构造。

首先shared_ptr是一个模板类,其由连个属性。

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private:
object_t* m_dest_ptr;
ref_count_t* m_ref_count;
};

其中m_dest_ptr 指向目标对象, m_ref_count 用来记录该对象的引用计数。为了简单,shared_ptr类遵循一个原则m_dest_ptr和m_ref_count 同时为NULL,或同时不为NULL。

其中 object_t 为模板类型的别名。

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template<typename T>
class shared_ptr_t
{
public:
typedef T object_t;
typedef shared_ptr_t<T> self_type_t;

1> 空构造目标对象和引用计数默认都为空。

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template<typename T>
shared_ptr_t<T>::shared_ptr_t(object_t* p):
m_dest_ptr(p),
m_ref_count(NULL)
{
if (NULL != m_dest_ptr)
{
m_ref_count = new ref_count_t();
}
}

  share_ptr_t<int> p;

2> 支持原始对象指针作为构造函数参数

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template<typename T>
shared_ptr_t<T>::shared_ptr_t(object_t* p):
m_dest_ptr(p),
m_ref_count(NULL)
{
if (NULL != m_dest_ptr)
{
m_ref_count = new ref_count_t();
}
}

用例:share_ptr_t p(new int());
3> 使用已存在的shared_ptr 构造

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template<typename T>
shared_ptr_t<T>::shared_ptr_t(self_type_t& p):
m_dest_ptr(p.get()),
m_ref_count(p.ger_ref_count())
{
if (NULL != m_dest_ptr)
{
m_ref_count->inc();
}
}

用例: share_ptr_t q(p);

  1. shared_ptr 获取引用计数或原始指针
      有时需要知道shared_ptr当前引用计数的值,通过shared_ptr获取原始指针理所当然。So:
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    size_t       ref_count() const       { return m_ref_count != NULL? (size_t)m_ref_count->size(): 0; }
    object_t* get() const { return m_dest_ptr; }

所以很容易验证shared_ptr的行为:

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shared_ptr_t p(new int());
assert(p.ref_count() == 1);
shared_ptr_t<int> q(p);
assert(q.ref_count() == 1);

  1. 减少引用计数
      shared_ptr需要显示的析构对象,所以提供reset接口,当目标对象已经创建并且引用计数达到零时(即不再有shared_ptr保存目标对象的控制权),析构目标对象。
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template<typename T>
void shared_ptr_t<T>::reset()
{
if (m_dest_ptr)
{
if (true == m_ref_count->dec_and_check_zero())
{
delete m_ref_count;
delete m_dest_ptr;
}
m_ref_count = NULL;
m_dest_ptr = NULL;
}
}
  1. shared_ptr 的析构
      很简单,减少引用计数。

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    template<typename T>
    shared_ptr_t<T>::~shared_ptr_t()
    {
    reset();
    }
  2. 向原始指针一样使用shared_ptr
      可以这样使用shared_ptr

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      struct foo_t { int a; }

      shared_ptr_t<foo_t> p(new foo_t());

      (*p).a = 100;

      p->a = 100;

      if(p) cout << "p not null!\n";

    所以提供如下接口:

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template<typename T>
typename shared_ptr_t<T>::object_t& shared_ptr_t<T>::operator*()
{
assert(NULL != m_dest_ptr);
return *m_dest_ptr;
}

template<typename T>
typename shared_ptr_t<T>::object_t* shared_ptr_t<T>::operator->()
{
assert(NULL != m_dest_ptr);
return m_dest_ptr;
}
operator bool() const
{
  return NULL != m_dest_ptr;
}

复制代码

Lock Free引用计数实现

  GCC中已经定义了一些atomic operation,但是查阅资料后,应该是对Intel的平台支持较好,其他平台支持不确定。故把atomic操作封装成宏。

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#define ATOMIC_ADD(src_ptr, v)                         (void)__sync_add_and_fetch(src_ptr, v)
#define ATOMIC_SUB_AND_FETCH(src_ptr, v) __sync_sub_and_fetch(src_ptr, v)
  ref_count_t 实现很简单:


class ref_count_t
{
typedef volatile long atomic_t;
public:
ref_count_t():
m_ref_num(1)
{}
~ref_count_t()
{}

inline void inc()
{
ATOMIC_ADD(&m_ref_num, 1);
}
inline bool dec_and_check_zero()
{
return 0 == ATOMIC_SUB_AND_FETCH(&m_ref_num, 1);
}
inline atomic_t size()
{
return m_ref_num;
}

private:
atomic_t m_ref_num;
};
#endif

线程安全性

  1. 单线程多个shared_ptr指向不同的对象,安全。
  2. 单线程多个shared_ptr指向相同的对象,安全。
  3. 多线程多个操作不同的shared_ptr, 指向不同的对象,安全。
  4. 多线程多个操作不同的shared_ptr, 指向相同对象,shared_ptr安全(也就是引用计数维护正确),对于原始对象操作依赖于用户。

标签: shared_ptr, lock_free