C++23中智能指针的使用：共享指针详解
C++23中智能指针的使用：共享指针详解
C++以具有难以处理的内存模型而闻名，尤其是对于来自托管内存语言的程序员。它因越界引用错误和内存泄漏而被吐槽。尽管如此，现代C++比以前安全得多，现在甚至比托管内存模型更安全（性能更高）。本文将介绍C++23中智能指针的使用，特别是shared_ptr的详细讲解。
共享所有权的概念，以及开发者为什么需要它
在C++中，智能指针的主要功能是在不再需要时释放已在堆（和其他资源）上分配的对象。unique_ptr引入了所有权的概念，它将所指对象的生命周期与所有者的生命周期（unique_ptr本身）绑定在一起。但是，如果所指对象的生命周期不是那么可预测的，会发生什么呢？在多线程或异步程序中，一个进程可能会设置一个对象，另一个进程可能会填充它，第三个进程可能会将其转发到外部端点。只有当每个进程都已完成对象时，才能将其删除。
这就是shared_ptr的用途。从表面上看，它就像一个unique_ptr，因为所指对象的一生与其所有者的一生息息相关。但最大的区别在于，一个共享指针可以有多个所有者，并且在删除引用对象之前，他们都必须放弃自己的所有权。
计算参考文献
shared_ptr使用一种称为引用计数的技术工作，该技术是为了管理函数式语言中的内存而发明的。除了每个引用对象之外，还有一条记录，用于计算有多少其他对象对它感兴趣。每次创建链接到引用对象的共享指针时，它都会在后台递增计数器。如果共享指针被删除或与引用对象断开连接，则共享指针将再次递减计数器。最终，当计数器达到零时，离开的指针将删除引用并回收其内存。
图 1：参考计数策略
这个过程显然比unique_ptr稍微复杂一些，因此使用过程中涉及的开销非常小。首先，管理计数器涉及空间开销。如果分配的资源很大且复杂，则计数器的开销最小，但如果分配大量微小的对象，则开销可能会变得很大。根据counter的分配方式，也可能有时间开销，因为counter是与引用对象一起分配和解除分配的。随着堆的碎片化程度越来越高，这也可能变得很重要。
当心循环引用
尽管引用计数指针看起来与托管内存语言中的引用非常相似，但开发者需要注意一个很大的区别。考虑一个shared_ptr拥有的对象，该对象本身包含shared_ptrs。当对象被销毁时，包含的shared_ptrs也会被销毁，从而销毁它们的引用。整个树将一次性全部删除。
图 2：级联删除
但是假设shared_ptrs在一个循环中相互引用。在这种情况下，每个对象都由链中的前一个共享指针保持活动状态，即使没有对整个结构的引用。那是内存泄漏！
图 3：对象 1 仍归对象 3 所有，因此不会被删除。
这里有几点需要注意：
- 不变性是安全的。如果shared_ptr仅引用const对象（或者至少引用实现不可变接口的对象），则无法创建这些循环。不可变对象不受此问题的影响。
- Pining。这是一种非常好的技术，允许对象将自身固定在内存中。假设开发者有一个对象正在参与一个长时间运行的异步进程。它可以包含一个引用自身的共享指针，当该过程完成时，它会重置指针。如果没有其他人关心，该对象将被删除。
- 弱引用。最后，如果自引用指针是必不可少的，则可以创建一个weak_ptr。我们稍后会探讨这个问题。
基本用法
与unique_ptr类似，创建shared_ptr的最简单方法是使用make_shared：
#include <memory>
shared_ptr<MyClass> c = make_shared<MyClass>(p1, p2);
以这种方式创建指针和引用对象时，共享指针在堆上只分配一个内存块，同时包含引用对象和计数器。
图 4：make_shared 后的内存布局
与unique_ptr不同，我们可以将一个shared_ptr分配给另一个：
shared_ptr<MyClass> d = c;
这将生成如下所示的内存布局：
图 5：shared_ptr 分配后的内存布局。
我们可以使用插桩类来证明这是可行的，如下所示：
class Test {
public:
Test() {
cout << "Test ctor" << endl;
}
~Test() {
cout << "Test dtor" << endl;
}
};
shared_ptr<Test> s;
{
cout << "Creating t" << endl;
shared_ptr<Test> t = make_shared<Test>();
s = t; // The reference count is now 2
}
// When t goes out of scope, the reference count falls to 1
cout << "t has been destroyed" << endl;
当程序结束并且S被销毁时，计数将降至零。这将产生输出：
Creating t
Test ctor
t has been destroyed
Test dtor
我们在介绍中看到，shared_ptrs的周期会将它们的内存固定在适当的位置，我们顺便提到weak_ptr可以帮助解决这个问题。我们现在可以探索weak_ptr的实际作用。
实际上，weak_ptr就像一个shared_ptr，但引用计数器不计算weak_ptrs。更重要的是，开发者无法取消引用weak_ptr：创建该shared_ptrs可能已被销毁，但即使该weak_ptr仍然存在，所引用对象也将消失。
要使用weak_ptr，开发者首先必须尝试将其转换为shared_ptr：
weak_ptr<Test> w;
{
cout << "Creating t" << endl;
shared_ptr<Test> t = make_shared<Test>();
w = t;
shared_ptr<Test> s = w.lock(); // try to get the shared_ptr
if (!s) cout << "t has expired" << endl;
// otherwise use s
}
cout << "t has been deleted" << endl;
shared_ptr<Test> s = w.lock(); // try to get the shared_ptr
if (!s) cout << "t has expired" << endl;
这将生成输出：
Creating t
Test ctor
Test dtor
t has been deleted
t has expired
高级用法
就像唯一指针一样，共享指针可以使用预先存在的引用进行初始化：
MyClass *c = new MyClass();
shared_ptr<MyClass> p = new shared_ptr<MyClass>(c);
当开发者像这样构造shared_ptr时，引用计数器和引用需要位于两个不同的分配块中。
图 6：使用新的MyClass构建shared_ptr时的内存布局
这种不同的布局具有一些含义。首先，每个shared_ptr都需要两个堆分配：一个用于引用，一个用于计数器。这是make_shared的两倍。再次销毁它们时，堆活动也是两倍。
最后，weak_ptr的处理存在显著差异。要使弱指针工作，它需要访问reference counter。一旦最后一个shared_ptr被销毁，就可以立即删除referent，但只有当没有更多的共享指针或弱指针使用它时，计数器才会被删除：
图 7：weak_ptr保存引用计数器时的内存布局
但是，当使用make_shared创建shared_ptr时，其工作方式略有不同。开发者已经看到counter和referent是在同一个内存块中创建的。因此，在上面的weak_ptr演示中删除shared_ptr时，会调用其析构函数，但直到weak_ptr也超出范围，内存才会被回收。所指对象的记忆可能比你预期的要长得多！
结论
乍一看，shared_ptr看起来像是托管内存指针的近似值。但存在重要差异。
你真的需要shared_ptr吗？共享所有权就其性质而言，意味着开发者具有非本地效果：当每个所有者都具有同等权限时，任何所有者都可以随时更改正在共享的对象。这使得很难预测依赖于它们的任何特定函数的行为。共享状态是一种公认的反模式。
假设共享指针适合开发者的解决方案：
- 仅共享不可变状态。为了缓解上述问题，开发者应该尽可能显式地创建shared_ptr对象或仅共享其接口为const的对象。
- 明智地混合make_shared和new shared_ptr（new C）。与unique_ptr一样，开发者应该避免将new/delete与shared_ptr混用。相反，请使用其中一种。
- 按值传递shared_ptr s。与unique_ptr相比，在中，开发者只应将引用传递给函数，而通常最好按值传递shared_ptrs。
如果shared_ptr<>&的源超出范围，则它（及其引用对象）将被删除，如果函数包含任何异步操作，则指针及其引用对象都将消失。复制shared_ptr实际上没有开销，但它会将引用保留在内存中，直到异步操作完成为止。