智能指针之share_ptr源码剖析以及线程安全测试

shared_ptr的实现

看了一下stl的源码，shared_ptr的实现是这样的:  shared_ptr模板类有一个__shared_count类型的成员，_M_refcount来处理引用计数的问题。__shared_count也是一个模板类，它的内部有一个指针_M_pi。所有引用同一个对象的shared_ptr都共用一个_M_pi指针。

当一个shared_ptr拷贝复制时， _M_pi指针调用_M_add_ref_copy（）函数将引用计数+1。 当shared_ptr析构时，_M_pi指针调用_M_release()函数将引用计数-1。 _M_release()函数中会判断引用计数是否为0. 如果引用计数为0， 则将shared_ptr引用的对象内存释放掉。

__shared_count(const__shared_count& __r) : _M_pi(__r._M_pi)

 

 

{

 

 

if(_M_pi != 0)

 

 

_M_pi->_M_add_ref_copy();

 

 

COSTA_DEBUG_REFCOUNT;

 

}

 

 这是__shared_count拷贝复制时的代码。首先将参数__r的_M_pi指针赋值给自己， 然后判断指针是否为NULL， 如果不为null 则增加引用计数。COSTA_DEBUG_REFCOUNT和COSTA_DEBUG_SHAREDPTR是

#define COSTA_DEBUG_REFCOUNT fprintf(stdout,"%s:%d costaxu debug refcount: %d\n", __FILE__,__LINE__,_M_pi->_M_get_use_count());

#define COSTA_DEBUG_SHAREDPTR fprintf(stdout,"%s:%d costaxu debug \n", __FILE__,__LINE__);

 

我为了打印引用计数的调试代码，会打印文件行号和当前引用计数的值。

__shared_count& operator=(const__shared_count& __r) // nothrow

{

_Sp_counted_base<_Lp>* __tmp = __r._M_pi;

if(__tmp != _M_pi)

{

if(__tmp != 0)

__tmp->_M_add_ref_copy();

if(_M_pi != 0)

_M_pi->_M_release();

_M_pi = __tmp;

 

 

}

COSTA_DEBUG_REFCOUNT;

return*this;

}

 

这是__share_count重载赋值操作符的代码。 首先，判断等号左右两边的__share_count是否引用同一个对象。如果引用同一个对象(__tmp==_M_pi)，那么引用计数不变，什么都不用做。如果不是的话，就把等号左边的share_ptr的引用计数-1，将等号右边的引用计数+1 。例如： 有两个shared_ptr p1和p2, 运行p1= p2 。 假如p1和p2是引用同一个对象的，那么引用计数不变。 如果p1和p2是指向不同对象的，那么p1所指向对象的引用计数-1， p2指向对象的引用计数+1。

~__shared_count()// nothrow

{

if(_M_pi != 0)

_M_pi->_M_release();

COSTA_DEBUG_REFCOUNT;

 

 

}

上面是__share_count的析构函数， 其实析构函数只是调用了_M_pi的_M_release这个成员函数。_M_release这个函数，除了会将引用计数-1之外，还会判断是否引用计数为0， 如果为0就调用_M_dispose()函数。 _M_dispose函数会将share_ptr引用的对象释放内存。

virtual void _M_dispose()// nothrow

{

COSTA_DEBUG_SHAREDPTR;

_M_del(_M_ptr);

}

_M_del是在构造_M_pi时候就初始化好的内存回收函数， _M_ptr就是shared_ptr引用的对象指针。

下面是我自己实现的share_ptr

#include<iostream>
#include<vector>
/*
1.auto_ptr 所有权唯一，只能有一个对象使用
1.智能指针提前失效

2.带标志位的智能指针 所有权不唯一 释放权唯一

3.boost:: scope_ptr
*/
class Ref_Management
{
public:
static Ref_Management* getInstance()//引用计数类的接口，模拟__shared_count

{
return &rm;
}
private:
Ref_Management():cursize(0){}
Ref_Management(const Ref_Management&);
static Ref_Management rm;
public:
//添加一个指针指向一块内存
void addref(void* mptr)
{
if (mptr != NULL)
{
int index = find(mptr);
if (index < 0)
{
Node tmp(mptr, 1);
node[cursize++] = tmp;
//node[cursize].addr = mptr;
//node[cursize].ref = 1;
//cursize++;
}
else
{
node[index].ref++;
}

//std::vector<Node>::iterator fit = find(mptr);
//if (fit == vec.end())
//{
// Node node(mptr, 1);
// vec.push_back(node);
//}
//else
//{
// (*fit).ref++;
//}
}
}
//删除一个指针
void delref(void* mptr)
{
if (mptr != NULL)
{
int index = find(mptr);
if (index < 0)
{
throw std::exception("addr is not exsit!");
}
else
{
if (node[index].ref != 0)
{
node[index].ref--;
}
}
}
}
//查找指针所在的位置的引用个数
int getref(void* mptr)
{
int rt = -1;
if (mptr != NULL)
{
int index = find(mptr);
if (index >= 0)
{
rt = node[index].ref;
}
}
return rt;
}
private:
//查找指针指向的位置
int find(void* mptr)
{
int rt = -1;
for (int i = 0; i < cursize; i++)
{
if (node[i].addr == mptr)
{
rt = i;
break;
}
}
return rt;
/*std::vector<Node>::iterator it = vec.begin();
for (it; it != vec.end(); it++)
{
if ((*it).addr == mptr)
break;
}
return it;*/
}
//addr:存放的指针，ref：存放指针的位置的个数，引用计数
class Node
{
public:
Node(void* padd = NULL, int rf = 0) :addr(padd), ref(rf){}
public:
void* addr;
int ref;
};
Node node[10];//数组的整体大小，数组中存放的是指针和指针所在位置的个数
int cursize;//数组当前的大小
};
Ref_Management Ref_Management::rm;
template<typename T>
class Shared_Ptr
{
public:
//构造函数，调用AddRef()；添加内存
Shared_Ptr(T* ptr = NULL) :mptr(ptr)
{
AddRef();
}
//拷贝构造函数 ，申请一个新的内存，引用计数为一，将数组的当前大小加一
Shared_Ptr(const Shared_Ptr<T>& rhs) :mptr(rhs.mptr)
{
AddRef();
}
//赋值运算符的重载函数，自赋值的的判断，调用~Share_ptr()，资源复制,调用AddRef()；
Shared_Ptr<T>& operator=(const Shared_Ptr<T>& rhs)
{
if (this != &rhs)
{
this->~Shared_Ptr();
mptr = rhs.mptr;
AddRef();
}
return *this;
}
//析构函数，调用DelRef(),释放内存，并指向NULL；
~Shared_Ptr()
{
DelRef();
if (GetRef() == 0)
{
delete mptr;
}
mptr = NULL;
}
//->运算符重载函数
T* operator->()
{
return mptr;
}
// * 运算符重载函数
T& operator*()
{
return *mptr;
}
private:
//调用addref()，传入mptr，添加内存
void AddRef()
{
prm->addref(mptr);
}
//调用delref()，传入mptr，释放内存
void DelRef()
{
prm->delref(mptr);
}
//调用getref(),传入mptr，得到当前位置的引用计数
int GetRef()
{
return prm->getref(mptr);
}
T* mptr;
static Ref_Management* prm;//提供静态的接口，供本类可以调用prm对象的函数
};
template<typename T>
Ref_Management* Shared_Ptr<T>::prm = Ref_Management::getInstance();

class B;
class A
{
public:
A()
{
std::cout << "A()" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "~A()" << std::endl;
}
public:
Shared_Ptr<B> spa;
};
class B
{
public:
B()
{
std::cout << "B()" << std::endl;
}
~B()
{
std::cout << "~B()" << std::endl;
}
public:
Shared_Ptr<A> spb;
};
/*
shared_ptr 相互引用
*/
/*
weak_ptr解决问题
*/
int main()
{
Shared_Ptr<A> pa(new A());
Shared_Ptr<B> pb(new B());
pa->spa = pb;
pb->spb = pa;
return 0;
}

shared_ptr线程安全性问题

关于shared_ptr的线程安全性。查了一些网上的资料，有的说是安全的，有的说不安全。引用CSDN上一篇比较老的帖子， 它是这样说的：

“Boost 文档对于 shared_ptr 的线程安全有一段专门的记述，内容如下：

shared_ptr objects offer the same level of thread safety as built-in types. A shared_ptr instance can be "read" (accessed using only const operations) simultaneously by multiple threads. Different shared_ptr instances can be "written to" (accessed using mutable operations such as operator= or reset) simultaneosly by multiple threads (even when these instances are copies, and share the same reference count underneath.)

Any other simultaneous accesses result in undefined behavior.

翻译为中文如下：

shared_ptr对象提供与内置类型相同的线程安全级别。多个线程可以同时“读取”(仅使用常量操作访问)共享_ptr实例。不同的shared_ptr实例可以由多个线程同时“写入”(使用可变操作如operator=或reset来访问)(即使这些实例是副本，并且在下面共享相同的引用计数)。)

任何其他同时进行的访问都会导致未定义的行为。

这几句话比较繁琐，我总结一下它的意思：

1 同一个shared_ptr被多个线程“读”是安全的。

2 同一个shared_ptr被多个线程“写”是不安全的。

3 共享引用计数的不同的shared_ptr被多个线程”写“ 是安全的。

如何印证上面的观点呢？

其实第一点我觉得比较多余。因为在多个线程中读同一个对象，在正常情况下不会有什么问题。

所以问题就是：如何写程序证明同一个shared_ptr被多个线程"写"是不安全的？

我的思路是，在多个线程中同时对一个shared_ptr循环执行两遍swap。 shared_ptr的swap函数的作用就是和另外一个shared_ptr交换引用对象和引用计数，是写操作。执行两遍swap之后, shared_ptr引用的对象的值应该不变。

程序如下：

 

#include <stdio.h>

 

 

#include <tr1/memory>

 

 

#include <pthread.h>

 

 

usingstd::tr1::shared_ptr;

 

 

shared_ptr<int> gp(newint(2000));

 

 

shared_ptr<int> CostaSwapSharedPtr1(shared_ptr<int> & p)

 

 

{

 

 

shared_ptr<int> p1(p);

 

 

shared_ptr<int> p2(newint(1000));

 

 

p1.swap(p2);

 

 

p2.swap(p1);

 

 

returnp1;

 

 

}

 

 

shared_ptr<int> CostaSwapSharedPtr2(shared_ptr<int> & p)

 

 

{

 

 

shared_ptr<int> p2(newint(1000));

 

 

p.swap(p2);

 

 

p2.swap(p);

 

 

returnp;

 

 

}

 

 

void* thread_start(void* arg)

 

 

{

 

 

inti =0;

 

 

for(;i<100000;i++)

 

 

{

 

 

shared_ptr<int> p= CostaSwapSharedPtr2(gp);

 

 

if(*p!=2000)

 

 

{

 

 

printf("Thread error. *gp=%d \n", *gp);

 

 

break;

 

 

}

 

 

}

 

 

printf("Thread quit \n");

 

 

return0;

 

 

}

 

 

int main()

 

 

{

 

 

pthread_tthread;

 

 

intthread_num = 10, i=0;

 

 

pthread_t* threads = newpthread_t[thread_num];

 

 

for(;i<thread_num;i++)

 

 

pthread_create(&threads[i], 0 , thread_start , &i);

 

 

for(i=0;i<thread_num;i++)

 

 

pthread_join(threads[i],0);

 

 

delete[] threads;

 

 

return0;

 

 

}

 

 

 

这个程序中我启了10个线程。每个线程调用10万次 CostaSwapSharedPtr2函数。 在CostaSwapSharePtr2函数中，对同一个share_ptr全局变量gp进行两次swap（写操作）， 在函数返回之后检查gp的值是否被修改。如果gp值被修改，则证明多线程对同一个share_ptr执行写操作是不安全的。

程序运行的结果如下：

 

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread error. *gp=1000

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

 

10个线程有9个出错。证明多线程对同一个share_ptr执行写操作是不安全的。我们在程序中，如果不运行CostaSwapSharedPtr2， 改成运行CostaSwapSharedPtr1呢？  CostaSwapSharedPtr1和CostaSwapSharedPtr2的区别在于， 它不是直接对全局变量gp进行写操作，而是将gp拷贝出来一份再进行写操作。运行的结果如下：

 

 

costa@pepsi:~/test/cpp/shared_ptr$ ./b

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

Thread quit

 

 

 

Thread quit

 

 

跑了很多次都没有出错。说明共享引用计数的不同的shared_ptr执行swap是线程安全的。BOOST文档是可信的。

补充一个问题： 为什么shared_ptr可以作为STL标准容器的元素，而auto_ptr不可以    这个根据auto_ptr相信也可以找出答案了，以及auto_ptr为什么会被慢慢摒弃了；

这篇文章小结一下：

1 shared_ptr是一个非常实用的智能指针。

2 shared_ptr的实现机制是在拷贝构造时使用同一份引用计数。

3 对同一个shared_ptr的写操作不是线程安全的。 对使用同一份引用计数的不同shared_ptr是线程安全的。

线程安全测试取自：http://my.oschina.net/costaxu/blog/103119