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从零开始学C++之boost库（一）：详解 boost 库智能指针（scoped_ptr<T> 、shared_ptr<T> 、weak_ptr<T> 源码分析）

s1mba

发布于 2022-01-05 05:59:39

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一、boost 智能指针

智能指针是利用RAII（Resource Acquisition Is Initialization：资源获取即初始化）来管理资源。关于RAII的讨论可以参考前面的文

章。在使用boost库之前应该先下载后放在某个路径，并在VS 包含目录中添加。下面是boost 库里面的智能指针：

（一）、scoped_ptr<T>

先来看例程：

#include <boost/scoped_ptr.hpp>
#include <iostream>
using  namespace std;

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

int main( void)
{
    cout <<  "Entering main ..." << endl;
    {
        boost::scoped_ptr<X> pp( new X);

         //boost::scoped_ptr<X> p2(pp); //Error:所有权不能转移
    }
    cout <<  "Exiting main ..." << endl;

     return  0;
}

来稍微看一下scoped_ptr 的简单定义：

namespace boost
{

     template< typename T>  class scoped_ptr : noncopyable
    {
     private:

        T *px;

        scoped_ptr(scoped_ptr  const &);
        scoped_ptr & operator=(scoped_ptr  const &);

         typedef scoped_ptr<T> this_type;

         void  operator==( scoped_ptr  const & )  const;
         void  operator!=( scoped_ptr  const & )  const;
     public:
         explicit scoped_ptr(T *p =  0);
        ~scoped_ptr();

         explicit scoped_ptr( std::auto_ptr<T> p ): px( p.release() );
         void reset(T *p =  0);

        T & operator*()  const;
        T * operator->()  const;
        T *get()  const;

         void swap(scoped_ptr &b);
    };

     template< typename T>
     void swap(scoped_ptr<T> &a, scoped_ptr<T> &b);
}

与auto_ptr类似，内部也有一个T* px; 成员，智能指针对象pp 生存期到了，调用析构函数，在析构函数内会delete px; 如下面所说：

scoped_ptr mimics a built-in pointer except that it guarantees deletion of the object pointed to, either on destruction of the scoped_ptr or via an

explicit reset(). scoped_ptr is a simple solution for simple needs; use shared_ptr or std::auto_ptr if your needs are more complex.

从上面的话可以得知当调用reset() 函数时也能够释放堆对象，如何实现的呢？

void reset(T *p =  0)   // never throws
{
    BOOST_ASSERT( p ==  0 || p != px );  // catch self-reset errors
    this_type(p).swap(* this);
}
void swap(scoped_ptr &b)   // never throws
{
    T *tmp = b.px;
    b.px = px;
    px = tmp;
}

typedef scoped_ptr<T> this_type; 当调用pp.reset()，reset 函数构造一个临时对象，它的成员px=0，在swap 函数中调换 pp.px 与

(this_type)(p).px，即现在pp.px = 0; //解绑

临时对象接管了裸指针（即所有权可以交换），reset 函数返回，栈上的临时对象析构，调用析构函数，进而delete px;

另外拷贝构造函数和operator= 都声明为私有，故所有权不能转移，且因为容器的push_back 函数需要调用拷贝构造函数，故也不能

将scoped_ptr 放进vector，这点与auto_ptr 相同（不能共享所有权）。此外，还可以使用 auto_ptr 对象构造一个scoped_ptr 对象：

scoped_ptr( std::auto_ptr<T> p ): px( p.release() );

由于scoped_ptr是通过delete来删除所管理对象的，而数组对象必须通过deletep[]来删除，因此boost::scoped_ptr是不能管理数组对象的，如果

要管理数组对象需要使用boost::scoped_array类。

boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的功能和操作都非常类似，如何在他们之间选取取决于是否需要转移所管理的对象的所有权（如是否需要作为

函数的返回值）。如果没有这个需要的话，大可以使用boost::scoped_ptr，让编译器来进行更严格的检查，来发现一些不正确的赋值操作。

（二）、shared_ptr<T>

An enhanced relative of scoped_ptr with reference counted copy semantics. The object pointed to is deleted when the last

shared_ptr pointing to it is destroyed or reset.

先来看例程：

#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <iostream>
using  namespace std;

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

int main( void)
{
    cout <<  "Entering main ..." << endl;
    boost::shared_ptr<X> p1( new X);
    cout << p1.use_count() << endl;
    boost::shared_ptr<X> p2 = p1;
     //boost::shared_ptr<X> p3;
     //p3 = p1;

    cout << p2.use_count() << endl;
    p1.reset();
    cout << p2.use_count() << endl;
    p2.reset();
    cout <<  "Exiting main ..." << endl;
     return  0;
}

图示上述程序的过程也就是：

再深入一点，看源码，shared_ptr 的实现比 scoped_ptr 要复杂许多，涉及到多个类，下面就不贴完整源码，看下面的类图：

执行 boost::shared_ptr<X> p1(new X); 这一行之后：

而执行 p1.use_count(); 先是 pn.use_count(); 接着 pi_ != 0? pi_->use_count(): 0; return use_count_; 即返回1.

接着执行 boost::shared_ptr<X> p2 = p1;

本想跟踪shared_ptr 的拷贝构造函数，在当行设置断点后F11直接跳过了，说明是shared_ptr类没有实现拷贝构造函数，使用的是编译器默认的拷

贝构造函数，那如何跟踪呢？如果你的C++基础比较好，可以想到拷贝构造函数跟构造函数一样，如果有对象成员是需要先构造对象成员的（这一点

也可以从调用堆栈上看出），故可以在shared_count 类的拷贝构造函数设置断点，然后就可以跟踪进去，如下的代码：

// shared_count
shared_count(shared_count  const &r): pi_(r.pi_)   // nothrow
{
     if( pi_ !=  0 ) pi_->add_ref_copy();
}
// sp_counted_base
void add_ref_copy()
{
    BOOST_INTERLOCKED_INCREMENT( &use_count_ );
}

故p2.pn.pi_ 也指向唯一的一个 sp_counted_impl_p 对象，且use_count_ 增1.

再者，shared_ptr 类的默认拷贝构造函数是浅拷贝，故现在p2.px 也指向 X.

由于p2 和 p1 共享一个sp_counted_impl_p 对象，所以此时无论打印p2.use_count(); 还是 p1.use_count(); 都是2。

接着执行p1.reset();

// shared_ptr
void reset()  // never throws in 1.30+
{
    this_type().swap(* this);
}
void swap(shared_ptr<T> &other)   // never throws
{
    std::swap(px, other.px);
    pn.swap(other.pn);
}

this_type() 构造一个临时对象，px = 0, pn.pi_ = 0; 然后swap交换p1 与临时对象的成员，即现在p1.px = 0; p1.pn.p1_ = 0; 如上图。

reset 函数返回，临时对象需要析构，但跟踪时却发现直接返回了，原因跟上面的一样，因为shared_ptr 没有实现析构函数，调用的是默认的析构函

数，与上面拷贝函数同样的道理，可以在shared_count 类析构函数设置断点，因为pn 是对象成员，故析构函数也会被调用。如下代码：

//shared_count
~shared_count()  // nothrow
{
     if( pi_ !=  0 ) pi_->release();
}

// sp_counted_base
void release()  // nothrow
{
     if( BOOST_INTERLOCKED_DECREMENT( &use_count_ ) ==  0 )
    {
        dispose();
        weak_release();
    }
}

现在use_count_ 减为1，但还不为0，故 dispose(); 和 weak_release(); 两个函数没有被调用。当然此时打印 p2.use_count() 就为1 了。

最后 p2.reset(); 跟p1.reset(); 同样的流程，只不过现在执行到release 时，use_count_ 减1 为0；需要继续执行dispose(); 和

weak_release(); 如下代码：


//sp_counted_impl_p
virtual  void dispose()  // nothrow
{
    boost::checked_delete( px_ );
}
//sp_counted_base
void weak_release()  // nothrow
{
     if( BOOST_INTERLOCKED_DECREMENT( &weak_count_ ) ==  0 )
    {
        destroy();
    }
}

virtual  void destroy()  // nothrow
{
     delete  this;
}

在check_delete 中会 delete px_; 也就是析构 X。接着因为weak_count_ 减1 为0，故执行destroy(); 函数里面delete this; 即析构自身

（sp_counted_impl_p 对象是在堆上分配的）。

说到这里，我们也可以明白，即使最后没有调用p2.reset(); 当p2 栈上对象生存期到，需要调用shared_ptr 类析构函数，进而调用shared_count 类析

构函数，所以执行的结果也是跟reset() 一样的，只不过少了临时对象this_type()的构造。

总结一下：

和前面介绍的boost::scoped_ptr相比，boost::shared_ptr可以共享对象的所有权，因此其使用范围基本上没有什么限制（还是有一些需要遵循的

使用规则，下文中介绍），自然也可以使用在stl的容器中。另外它还是线程安全的，这点在多线程程序中也非常重要。

boost::shared_ptr并不是绝对安全，下面几条规则能使我们更加安全的使用boost::shared_ptr：

避免对shared_ptr所管理的对象的直接内存管理操作，以免造成该对象的重释放
shared_ptr并不能对循环引用的对象内存自动管理（这点是其它各种引用计数管理内存方式的通病）。
不要构造一个临时的shared_ptr作为函数的参数。

详见 http://www.boost.org/doc/libs/1_52_0/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm

如下列bad 函数内的代码则可能导致内存泄漏：

void f(shared_ptr< int>,  int);
int g();

void ok()
{
    shared_ptr< int> p( new  int( 2));
    f(p, g());
}

void bad()
{
    f(shared_ptr< int>( new  int( 2)), g());
}

如bad 函数内，假设先构造了堆对象，接着执行g(), 在g 函数内抛出了异常，那么由于裸指针还没有被智能指针接管，就会出现内存泄漏。

（三）、weak_ptr<T>

如上总结shared_ptr<T> 时说到引用计数是一种便利的内存管理机制，但它有一个很大的缺点，那就是不能管理循环引用的对象。

#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <iostream>
using  namespace std;

class Parent;
class Child;
typedef boost::shared_ptr<Parent> parent_ptr;
typedef boost::shared_ptr<Child> child_ptr;

class Child
{
public:
    Child()
    {
        cout <<  "Child ..." << endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout <<  "~Child ..." << endl;
    }
    parent_ptr parent_;
};

class Parent
{
public:
    Parent()
    {
        cout <<  "Parent ..." << endl;
    }
    ~Parent()
    {
        cout <<  "~Parent ..." << endl;
    }
    child_ptr child_;
};

int main( void)
{
    parent_ptr parent( new Parent);
    child_ptr child( new Child);
    parent->child_ = child;
    child->parent_ = parent;

     return  0;
}

如上述程序的例子，运行程序可以发现Child 和 Parent 构造函数各被调用一次，但析构函数都没有被调用。由于Parent和Child对象互相引用，

它们的引用计数最后都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了内存泄漏。

其中一种解决循环引用问题的办法是手动打破循环引用，如在return 0; 之前加上一句 parent->child_.reset(); 此时

当栈上智能指针对象child 析构，Child 对象引用计数为0，析构Chlid 对象，它的成员parent_ 被析构，则Parent 对象引用计数

减为1，故当栈上智能指针对象parent 析构时，Parent 对象引用计数为0，被析构。

但手动释放不仅麻烦而且容易出错，这里主要介绍一下弱引用智能指针 weak_ptr<T> 的用法，下面是简单的定义：

namespace boost
{

     template< typename T>  class weak_ptr
    {
     public:
         template < typename Y>
        weak_ptr( const shared_ptr<Y> &r);

        weak_ptr( const weak_ptr &r);

         template< class Y>
        weak_ptr & operator=( weak_ptr<Y> && r );

         template< class Y>
        weak_ptr & operator=(shared_ptr<Y>  const &r);


        ~weak_ptr();

         bool expired()  const;
        shared_ptr<T> lock()  const;
    };
}

上面出现了 && 的用法，在这里并不是逻辑与的意思，而是C++ 11中的新语法，如下解释：

&& is new in C++11, and it signifies that the function accepts an RValue-Reference -- that is, a reference to an argument that is about

to be destroyed.

两个常用的功能函数：expired()用于检测所管理的对象是否已经释放；lock()用于获取所管理的对象的强引用智能指针。

强引用与弱引用：

强引用，只要有一个引用存在，对象就不能释放

弱引用，并不增加对象的引用计数（实际上是不增加use_count_，会增加weak_count_）；但它能知道对象是否存在

通过weak_ptr访问对象的成员的时候，要提升为shared_ptr

如果存在，提升为shared_ptr(强引用）成功如果不存在，提升失败

对于上述的例子，只需要将Parent 类里面的成员定义改为如下，即可解决循环引用问题：

class Parent
{
public:
    boost::weak_ptr<parent> child_;
};

因为此例子涉及到循环引用，而且是类成员引用着另一个类，涉及到两种智能指针，跟踪起来难度很大，我也没什么心情像分析

shared_ptr 一样画多个图来解释流程，这个例子需要解释的代码远远比shared_ptr 多，这里只是解释怎样使用，有兴趣的朋友自

己去分析一下。

下面再举个例子说明lock() 和 expired() 函数的用法：

#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>
#include <boost/scoped_array.hpp>
#include <boost/scoped_ptr.hpp>
#include <iostream>
using  namespace std;

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

     void Fun()
    {
        cout <<  "Fun ..." << endl;
    }
};
int main( void)
{
    boost::weak_ptr<X> p;
    boost::shared_ptr<X> p3;
    {
        boost::shared_ptr<X> p2( new X);
        cout << p2.use_count() << endl;
        p = p2;
        cout << p2.use_count() << endl;

         /*boost::shared_ptr<X> */
        p3 = p.lock();
        cout << p3.use_count() << endl;
         if (!p3)
            cout <<  "object is destroyed" << endl;
         else
            p3->Fun();
    }
     /*boost::shared_ptr<X> p4 = p.lock();
    if (!p4)
        cout<<"object is destroyed"<<endl;
    else
        p4->Fun();*/

     if (p.expired())
        cout <<  "object is destroyed" << endl;
     else
        cout <<  "object is alived" << endl;

     return  0;
}