std::shared_ptr<void>的工作原理

文章目录

1. 1. 前戏
2. 2. std::shared_ptr 的行为
3. 3. std::shared_ptr 为啥能正常工作
4. 4. 这种实现方式给shared_ptr带来额外好处

前戏

先抛出两个问题

• 如果delete一个指针，但是它真实的类型和指针类型不一样会发生什么？
• 是谁调用了析构函数？

下面这段代码会发生什么有趣的事情？

// delete_diff_type.cpp
#include <iostream>

using namespace std;

class Foo
{
public:
    Foo() { cout << "Foo()" << endl; }
    ~Foo() { cout << "~Foo()" << endl; }
};

class FakeFoo
{
public:
    FakeFoo() { cout << "FakeFoo()" << endl; }
    ~FakeFoo() { cout << "~FakeFoo()" << endl; }
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    void* vptr = new Foo();
    delete vptr;    // warning
    
//    FakeFoo* ffptr = static_cast<FakeFoo*>(new Foo()); // error
    FakeFoo* ffptr = reinterpret_cast<FakeFoo*>(new Foo());
    delete ffptr;
    
    Foo* fptr = new Foo();
    delete fptr;
    
    return 0;
}

输出:
Foo()
Foo()
~FakeFoo()
Foo()
~Foo()

看一下汇编代码可以看到main函数主要做了下面这几件事

; symbol stub for: operator new(unsigned long)
; Foo::Foo at delete_diff_type.cpp:8
; symbol stub for: operator delete(void*)

; symbol stub for: operator new(unsigned long)
; Foo::Foo at delete_diff_type.cpp:8
; FakeFoo::~FakeFoo at delete_diff_type.cpp:16
; symbol stub for: operator delete(void*)

; symbol stub for: operator new(unsigned long)
; Foo::Foo at delete_diff_type.cpp:8
; Foo::~Foo at delete_diff_type.cpp:9
; symbol stub for: operator delete(void*)

从汇编中可以看出，构造造函数和析构函数是编译器根据指针的类型生成的调用代码。而且编译器是不允许没有继承关系的指针之间进行转换的，void* 是个例外，只要不作死用reinterpret_cast把指针转换成不相关的类型是不会有问题的。

所以上面两个问题大概就有答案了。delete语句会至少产生两个动作，一个是调用指针对应类型的析构函数，然后去调用operator delete释放内存。所以如果delete的指针和其指向的真实类型不一样的时候，编译器只会调用指针类型的析构函数，这也就为什么基类的析构函数需要声明称虚函数才能够保证delete基类指针的时候子类析构函数能够被正确的调用。
operator delete是都会被调用到的，所以指针指向的那块内存是能够“正常的”被释放掉用。

std::shared_ptr<void> 的行为

那么这个跟std::shared_ptr<void> 有什么关系呢？

先看一段代码

#include <iostream>

using namespace std;

class Foo
{
public:
    Foo() { cout << "Foo()" << endl; }
    ~Foo() { cout << "~Foo()" << endl; }
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    shared_ptr<void> vptr = shared_ptr<Foo>(new Foo);
    return 0;
}

输出：
Foo()
~Foo()

与第一段代码中类似，不过把void*换成了std::shared_ptr<void>，那么shared_ptr<void>为什么能够调用到正确的析构函数呢？一定是shared_ptr里面搞了什么鬼。

std::shared_ptr<void> 为啥能正常工作

那么就看看源代码看看到底为啥这货能够工作，下面是libcxx中shared_ptr的部分源码，把关键的部分抠出来了。

/** C1. shared_ptr 构造函数 **/

template<class _Tp>
template<class _Yp>
shared_ptr<_Tp>::shared_ptr(_Yp* __p,
                            typename enable_if<is_convertible<_Yp*, element_type*>::value, __nat>::type)
    : __ptr_(__p)
{
    unique_ptr<_Yp> __hold(__p);
    typedef typename __shared_ptr_default_allocator<_Yp>::type _AllocT;
    typedef __shared_ptr_pointer<_Yp*, default_delete<_Yp>, _AllocT > _CntrlBlk;
    __cntrl_ = new _CntrlBlk(__p, default_delete<_Yp>(), _AllocT());
    __hold.release();
    __enable_weak_this(__p, __p);
}

/** C2. shared_ptr 拷贝构造 **/
template<class _Tp>
inline
shared_ptr<_Tp>::shared_ptr(const shared_ptr& __r) _NOEXCEPT
    : __ptr_(__r.__ptr_),
      __cntrl_(__r.__cntrl_)
{
    if (__cntrl_)
        __cntrl_->__add_shared();
}

/** C3. shared_ptr::__cntrl_ 类型 **/
__shared_weak_count* __cntrl_;

/** C4. shared_ptr 析构函数 **/

template<class _Tp>
shared_ptr<_Tp>::~shared_ptr()
{
    if (__cntrl_)
        __cntrl_->__release_shared();
}

/** C5. __shared_weak_count::__release_shared **/

bool __release_shared() _NOEXCEPT {
    if (__libcpp_atomic_refcount_decrement(__shared_owners_) == -1) {
    __on_zero_shared();
    return true;
    }
    return false;
}

/** C6. __shared_ptr_pointer::__release_shared **/
template <class _Tp, class _Dp, class _Alloc>
/* 重点 !!! virtual !!! */
void
__shared_ptr_pointer<_Tp, _Dp, _Alloc>::__on_zero_shared() _NOEXCEPT
{
    // __data__ 是 内部工具类__compressed_pair
    // __data_.first().second()是 deleter
    // __data_.first().first() 是 shared_ptr<T> 中T类型的指针
    __data_.first().second()(__data_.first().first());
    __data_.first().second().~_Dp();
}


/** C7. default deleter **/

template <class _Tp>
struct _LIBCPP_TEMPLATE_VIS default_delete {
    // ... 此处省略若干行
  void operator()(_Tp* __ptr) const _NOEXCEPT {
    delete __ptr;
  }
};

不要慌，给你慢慢道来。

这个故事简单得说是这样的：

• 每一个shared_ptr 内部有一个control block，里面会存放一个要维护的指针，一个计数，一个删除器(deleter)，一个分配(allocator)。这里我们要关心的是删除器。顾名思义，它是用来删除指针的。
• shared_ptr中的 有一个__cntrl_即control block。字段的类型是__shared_weak_count指针，这个类是一个非模板类。shared_ptr<T>创建的control block的类型是一个类模板template <class _Tp, class _Dp, class _Alloc> __shared_ptr_pointer继承自__shared_weak_count。 见代码C3。
• 当创建一个新的shared_ptr的时候，构建一个新的control block。见代码C1。
• 当一个shared_ptr A赋值或者拷贝构造给另一个shared_ptrB的时候（当然是在类型能够转换的前提下），B会把A的__cntrl_拷一份，同时将其引用加一。注意，这个时候拷贝的是指针，__cntrl_还是指向最初创建的那个对象。见代码C2。
• 当shared_ptr被析构或者重置的时候会调用__cntrl_->__release_shared()。见代码C4。
• __cntrl_->__release_shared()如果发现当前的计数为-1的时候，调用__on_zero_shared()。见代码C5。
• __on_zero_shared是一个虚方法，那么它就会调用到最初创建的__shared_ptr_pointer的实现。
• __shared_ptr_pointer的实现中是有完整的类型和删除器的信息的。见代码C6。
• 默认的删除器很简单的执行了delete __ptr操作，因为类型是已知的所以能够正确的调用到析构函数。见代码C7。

这种实现方式给shared_ptr带来额外好处

Effective C++ 条款07告诉我们“要为多态基类声明 virtual 析构函数”。当然我认为建议依然有效，但是用了shared_ptr以后带来的一个额外好处就是即便你的析构函数忘记写成virtual也能帮你正确的调用析构函数。