1、前言

本文僅對C++智能指針shared_ptr、weak_ptr源碼進行解析，需要讀者有一定的C++基礎并且對智能指針有所了解，本文并不對智能指針的使用方法、使用場景、效率等方面進行闡述分析，這些知識需自行查閱相關書籍去了解

2、源碼準備

本文是基于gcc-4.9.0的源代碼進行分析，shared_ptr和weak_ptr是C++11才加入標準的，所以低版本的gcc源碼是沒有shared_ptr和weak_ptr的，建議選擇4.9.0或更新的版本去學習，不同版本的gcc源碼差異應該不小，但是原理和設計思想的一樣的，下面給出源碼下載地址
http://ftp.gnu.org/gnu/gcc

3、智能指針概念

智能指針（Smart pointers）是存儲“指向動態分配（在堆上）的對象的指針”的對象。也就是說，智能指針其實是個對象。不過它的行為很像C++的內建指針，只是它們可以在適當的時候自動刪除它們所指向的對象。智能指針在面對異常時有非常顯著的作用，它們可以確保動態分配對象的完全析構。它們還可以用于跟蹤多主人共享的動態分配對象。在概念上，智能指針可以看作擁有它所指向的對象，并因此在對象不再需要時負責將它刪除。

4、源碼解析

4.1、shared_ptr解析

4.1.1、shared_ptr

shared_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr.h中

由于源代碼過長，這里就只貼出其中一部分進行分析：

1. 該類沒有類成員
2. 該類繼承于__shared_ptr，構造函數也只是調用了__shared_ptr的構造函數而已，將接管的普通指針傳遞給__shared_ptr
3. 該類沒有重載*和->運算符，從這點看shared_ptr似乎無法實現普通指針的功能，推測這兩個運算符的重載是在父類__shared_ptr實現的
4. 該類沒有析構函數，從智能指針最終會自動釋放內存的特性來看，釋放工作肯定不是在該類進行了，接下來分析父類__shared_ptr的實現

4.1.2、__shared_ptr

__shared_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h中

同樣的，源代碼比較長且不是分析的重點，所以只貼出一部分進行分析：

可以看到里面有兩個類成員：_M_ptr(由智能指針接管的普通指針)、_M_refcount(引用計數器，類型為__shared_count)

1. 從構造函數看，_M_ptr獲得了接管的普通指針的值，而_M_refcount的構造也同樣需要這個值
2. 重載了*和->運算符，由shared_ptr繼承使用，使得智能指針最終能擁有和普通指針一樣行為，盡管智能指針本質上是一個對象
3. 從析構函數來看，里面啥也沒做，說明接管的普通指針也不是在這里釋放的，所以有可能是由_M_refcount來完成釋放內存這個工作，下面分析__shared_count的實現

4.1.3、__shared_count

__shared_count位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h中

從源代碼可以獲得以下幾點信息：

有一個類成員：_M_pi(計數器，類型為_Sp_counted_base)

1. 只有構造函數為_M_pi分配了內存，并且該類并沒有直接持有從前面一直傳遞過來的那個普通指針，而是繼續將其傳遞給_M_pi，所以內存的釋放也不是直接在該類進行的。
2. 拷貝構造函數沒有分配內容，而是把拷貝對象的_M_pi直接拿過來了，有點類似于淺拷貝的意思，然后調用了_M_pi的_M_add_ref_copy方法（后面會講），增加了一次引用計數。賦值函數也是同樣的道理，但是由于賦值函數的特殊性（當賦值對象原先就存在時調用賦值函數，否則調用拷貝構造函數），要先調用_M_pi的_M_release方法（后面會講）將自己持有的內存釋放掉，其余操作和拷貝構造函數是一樣的
3. 從析構函數中可以看到，里面并沒有直接釋放掉為_M_pi分配的內存，而是調用了_M_pi的_M_release方法，可以大概猜測是通過_M_release方法釋放了_M_pi的內存(delete this指針，后面會講)
4. 由于__shared_count里面的方法都是借助_M_pi實現的，并且到這里都還沒有見到釋放那個普通指針的代碼，所以還是得繼續看_M_pi究竟做了什么工作，接下來繼續看_Sp_counted_base的實現

4.1.4、_Sp_counted_base

_Sp_counted_base位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h中

從源代碼可以獲得以下幾點信息：

1. 有兩個類成員：_M_use_count(引用計數)、_M_weak_count(弱引用計數)，對這兩個數的操作需要具有原子性
2. _M_release方法是該類的關鍵，可以看到先將_M_use_count自減1，然后判斷自減前_M_use_count的值是否為1(無其他人引用)，如果為1，則調用_M_dispose方法(虛函數，由派生類實現，估計是釋放前面一直說的那個由智能指針接管的普通指針)。接下來將_M_weak_count自減1，然后判斷自減前_M_weak_count的值是否為1(無其他人引用)，如果為1，則調用_M_destroy方法，而_M_destroy方法里面釋放了this指針，這點和前面的猜測一致
3. 從_M_release可以看出，智能指針所接管的指針的釋放內存工作只和_M_use_count有關，當_M_use_count減完時就會將其釋放了，而_M_weak_count也是有作用的，他負責釋放_Sp_counted_base本身，這也就是為什么weak_ptr可以保證智能指針這個對象有效，但不保證智能指針所引用的指針有效的原因了（這點和shared_ptr、weak_ptr的定義是完全一致的）
4. 其他的方法就很簡單了，比如_M_add_ref_copy方法將引用計數_M_use_count加一，_M_weak_add_ref方法將弱引用計數_M_weak_count加一，這個自增過程是具有原子性的，這里就不贅述了，大家可以自行看一下具體實現

4.1.5、_Sp_counted_ptr

_Sp_counted_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h中

1. 從源代碼中可以看到_Sp_counted_ptr是_Sp_counted_base的派生類，并且__shared_count在初始化_M_pi時用的也是_Sp_counted_ptr。
2. 接著看_M_dispose方法的實現，里面確實刪除了一開始shared_ptr接管的指針，_M_destroy方法用于釋放自己的內存(由__shared_count調用)，和前面猜想一致

4.1.6、shared_ptr總結

看完前面分析的內容再回過頭來看，_Sp_counted_base的_M_add_ref_copy方法是整個流程的關鍵，它實現了引用計數器的增加，那么在何時調用它就是關鍵了。通過在代碼中檢索，可以查到__shared_count的賦值構造函數和拷貝構造函數調用了它(其實也只有可能是這里啦，因為只有它的類成員有_Sp_counted_base)，這樣整個流程也就解釋通了：

1. __shared_count的成員_M_pi只會初始化一次（構造函數中分配內存初始化的）
2. 后面調用拷貝構造時（這個行為由__shared_ptr觸發，__shared_ptr的拷貝構造函數和賦值函數都會調用__shared_count的拷貝構造函數），__shared_count只是簡單復制了_M_pi而已，并沒有重新分配內存，然后再調用_M_add_ref_copy增加一次引用計數，這樣就實現了shared_ptr每多一份拷貝就增加一次引用計數的特性了
3. 每一個__shared_count被析構都會使引用計數減一，減完就將智能指針持有的資源釋放，這個前面已經分析過了，這里就不贅述了

4.2、weak_ptr解析

4.2.1、weak_ptr

weak_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr.h中

從源代碼中可以看出以下幾點：

1. 該類沒有類成員
2. 從構造函數的參數來看（無參構造函數除外），只能使用shared_ptr或weak_ptr來構造一個weak_ptr對象，包括賦值函數也是這樣的，這就和shared_ptr有很大區別了，從4.1.1小節可以看到shared_ptr是可以使用普通指針來構造的
3. 可以調用lock方法來獲得一個shared_ptr，lock方法的實現后面再講

該類沒有重載*和->運算符，接下來分析其父類__weak_ptr的實現

4.2.2、__weak_ptr

__weak_ptr位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h中

從源代碼中可以看出以下幾點信息：

1. 有兩個類成員：_M_ptr(由智能指針接管的普通指針)、_M_refcount(弱引用計數器，類型為__weak_count)
2. 從構造函數看，_M_ptr獲得了接管的普通指針的值，而_M_refcount的構造并不需要這個值了（這點和__shared_ptr不一樣了），_M_refcount只能借助其他__shared_ptr的_M_refcount或者__weak_ptr的_M_refcount來進行構造（注意這兩個的_M_refcount類型不同，說明__weak_count支持多種類型進行構造）
3. 拷貝構造函數和賦值函數的實現同上
4. 該類依然沒有重載*和->運算符，由于接下去已無繼承關系，所以weak_ptr不具備普通指針的特性，無法直接使用資源，這點符合weak_ptr的定義
5. 既然weak_ptr無法直接使用資源，那他設計_M_ptr這個成員的意圖在哪里呢？答案就是lock方法將weak_ptr轉換為shared_ptr時是需要將這個指針傳遞過去的，不然連接管的指針都沒了轉換的意義也就沒了
6. 析構函數啥也沒做，因為weak_ptr不持有資源，不對資源的釋放產生影響，接下來對__weak_count進行分析

4.2.3、__weak_count

__weak_count的實現位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h中

從源代碼可以獲得以下幾點信息：

1. 有一個類成員：_M_pi(計數器，類型為_Sp_counted_base)
2. 仔細一看__shared_count里也持有這個成員，類型一模一樣，這樣也就解釋得通為什么__shared_count和__weak_count可以互相轉換了，轉換的方式很簡單：

__shared_count轉換為__weak_count的過程為：
拷貝_M_pi，然后調用_M_weak_add_ref方法增加一次弱引用計數__weak_count轉換為__shared_count的過程為：
拷貝_M_pi，然后調用_M_add_ref_copy方法增加一次引用計數

1. 構造函數、拷貝構造函數、賦值函數均不為_M_pi分配了內存，這點也可以看出weak_ptr確實是shared_ptr的附屬品而已，自己不持有資源不控制資源
2. 析構函數中調用了_M_pi的_M_weak_release方法，釋放了_M_pi的內存（條件滿足的情況下才會釋放）
3. 接下來的內容和3.1.4小節還有3.1.5小節的內容是一樣的，這里就不贅述

4.2.4、回過頭看weak_ptr中lock方法的實現

weak_ptr的lock方法調用了shared_ptr的構造函數如下：

從上面的代碼可以看出調用了__shared_ptr的構造函數，代碼如下：

可以看到此時先是使用了__weak_ptr的_M_refcount成員（類型為__weak_count）來構造__shared_ptr的_M_refcount成員（類型為__shared_count），然后再判斷引用計數器是否為0，為零的話就將__shared_ptr的_M_ptr成員置為nullptr，即lock函數執行失敗；不為零的話就會正常構建一個shared_ptr了。

上面講的構造_M_refcount的方法如下所示：

從上面的代碼中我們可以看到，首先__shared_count使用__weak_count的_M_pi來構建自己的_M_pi，從前面的分析我們可以知道，在所有的shared_ptr和weak_ptr消亡之前，_M_pi的內存是不會被釋放的，所以這里就算之前的shared_ptr已經全部消亡（即資源已釋放），_M_pi還是有效的（因為weak_ptr還沒有消亡）。而通過判斷_M_add_ref_lock_nothrow的返回值來確定是否要將_M_pi置為nullptr，可以看到判斷的條件為_M_use_count是否為0（即判斷資源是否被釋放了）。

接下來再看一下__shared_count的_M_get_use_count方法，代碼如下：

代碼比較簡單，意思就是如果此時資源已經被釋放了（對應_M_pi值為nullptr），則會返回0，再回到上面第2點講的那里，_M_ptr將被設置為nullptr，即資源無效，lock函數執行失敗。
至此weak_ptr的lock方法的實現原理就全部講解完畢。

4.3、enable_shared_from_this解析

4.3.1、從一個典型的例子來認識智能指針的不足之處

有時候我們需要在一個被shared_ptr管理的對象的內部獲取自己的shared_ptr，比如下面這個的例子:

從上面這個簡單的例子可以看到，fun輸出的居然是1而不是2，這是為什么？倒回去4.1.2小節可以看到，當使用普通指針（上面的那個this）去構造shared_ptr時，構造出來的shared_ptr一定是獨立的，不與其他人共享的。這樣就會出現一個非常嚴重的問題，那就是析構時會導致對象被重復釋放, 從而引發錯誤

4.3.2、改進方法

現在明確一下我們的需求：在一個對象內部構造該對象的shared_ptr 時，即使該對象已經被shared_ptr管理著，也不會造成對象被兩個獨立的智能指針管理。這就要求我們在對象內構造對象的智能指針時，必須能識別有對象是否已經由其他智能指針管理，智能指針的數量，并且我們創建智能指針后也能讓之前的智能指針感知到。當然標準已經也給出了解決了這個問題辦法，那就是使用接下來所提到的enable_shared_from_this

4.3.3、enable_shared_from_this解析

enable_shared_from_this的實現位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr.h中

從源代碼可以獲得以下幾點信息：

1. 有一個類成員：_M_weak_this
2. 該類需要被繼承，被需要用智能指針管理的對象繼承
3. 我們平時就是使用該類的shared_from_this方法的，可以看到其實現就是利用_M_weak_this構造一個shared_ptr對象而已
4. 該類并沒有直接初始化_M_weak_this，而是提供了_M_weak_assign方法來構造_M_weak_this，其實現比較簡單，就是調用了weak_ptr的_M_assign方法
5. 那么問題來了，_M_weak_assign方法由誰調用呢？從后面我們可以知道是由一個全局函數__enable_shared_from_this_helper調用的，該函數有一種重載形式是enable_shared_from_this的友元函數，從上面的代碼中就可以看到了，那唯一一個友元函數就是__enable_shared_from_this_helper，里面調用了enable_shared_from_this的_M_weak_assign方法。
6. 而__enable_shared_from_this_helper函數要在哪個時間點使用才能達到預期的效果呢？答案當然是在__shared_ptr的構造函數中調用。下面列出了__shared_ptr部分構造函數，可以看到確實調用了__enable_shared_from_this_helper，證實了前面的猜想

4.3.4、__enable_shared_from_this_helper解析

__enable_shared_from_this_helper的實現位于libstdc++-v3\include\bits\shared_ptr_base.h中

這里有必要再看一下__enable_shared_from_this_helper函數的實現，有兩種形式，第一種就是上面提到過的那個enable_shared_from_this的友元函數，而第二種重載形式里面啥都沒有干。為什么需要重載這兩個函數呢？答案很簡單，當我們一個類繼承了enable_shared_from_this之后，這個類肯定可以轉換為enable_shared_from_this類型了，此時在__shared_ptr中調用的__enable_shared_from_this_helper就是上面第一種情況了，這種情況下就可以使用shared_from_this函數了；反之，當類沒有繼承enable_shared_from_this時，就是調用第二中形式的__enable_shared_from_this_helper，此時也就不能使用shared_from_this函數了。
至此，為什么在使用shared_from_this前，對應的類需要繼承enable_shared_from_this的原因也就全部揭曉了。

5、總結

本文先是簡單介紹了C++智能指針的定義，然后通過對源碼進行詳細分析，我們了解了shared_ptr、weak_ptr以及enable_shared_from_this的實現原理。源代碼內容并不是很復雜，沒有用到什么很高深的語法糖，但是閱讀起來非常繞（因為這三個類的關聯錯綜復雜），這就需要我們有耐心地一步一步去深入學習。

最后，如果大家覺得本文寫得好的話麻煩點贊收藏關注一下謝謝，也可以關注該專欄，以后會有更多優質文章輸出的。

原文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_43798887/article/details/116464334