作者 Eaton
导语 在 C++ 中，内存治理是非常重要的问题，一不小心就会造成程序内存泄露，那么怎么防止呢？通过智能指针能够优雅地治理内存，让开发者只须要关注内存的申请，内存的开释则会被主动治理。在文章 开源微服务框架 TARS 之 根底组件 中曾经简要介绍过，TARS 框架组件中没有间接应用 STL 库中的智能指针，而是实现了本人的智能指针。本文将会别离对 STL 库中的智能指针和 TarsCpp 组件中的智能指针进行比照剖析，并具体介绍 TARS 智能指针的实现原理。
目录
智能指针
- 简介
- 援用计数原理
STL 库中的智能指针
- shared_ptr
TARS 智能指针 TC_AutoPtr 实现详解
- 原子计数类 std::atomic
- 智能指针基类 TC_HandleBase
- 智能指针模板类 TC_AutoPtr
- TC_AutoPtr 劣势
智能指针
简介
在计算机程序中，泄露是常见的问题，包含内存泄露和资源泄露。其中资源泄露指的是零碎的 socket、文件描述符等资源在应用后，程序不再须要它们时没有失去开释；内存泄露指的是动态内存在应用后，程序不再须要它时没有失去开释。
内存泄露会使得程序占用的内存越来越多，而很大一部分往往是程序不再须要应用的。在 C++ 程序中，内存泄露常见于咱们应用了 new 或者 malloc 申请动静存储区的内存，却忘了应用 delete 或者 free 去开释内存，造成零碎内存的节约，导致程序运行速度减慢甚至零碎解体等严重后果。
随着计算机利用需要的日益减少，利用的设计与开发日趋简单，开发人员在开发过程中解决的变量也越来越多。如何无效进行内存调配和开释、避免内存透露逐步成为开发者面临的重要难题。为了解决遗记手动开释内存造成的内存泄露问题，智能指针诞生了。
常见的智能指针的应用场景，包含类中的成员变量（指针型）和一般的变量（指针型）。智能指针能够实现指针指向对象的共享，而无需关注动态内存的开释。通用实现技术是援用计数(Reference count)，下一部分会介绍，简略讲就是将一个计数器与类指向的对象相关联，跟踪有多少个指针指向同一对象，新增一个指针指向该对象则计数器 +1，缩小一个则执行 -1。
援用计数原理
援用计数是智能指针的一种通用实现技术，上图为大抵流程，基本原理如下：
- 在每次创立类的新对象时，初始化指针并将援用计数置
1； - 当对象作为另一对象的正本而创立时（复制构造函数），复制对应的指针并将援用计数
+1； - 当对一个对象进行赋值时，赋值操作符
=将左操作数所指对象的援用计数-1，将右操作数所指对象的援用计数+1； - 调用析构函数数，援用计数
-1； - 上述操作中，援用计数减至
0时，删除根底对象；
STL 库中的智能指针 shared_ptr 和 TARS 智能指针都应用了该援用计数原理，前面会进行介绍。
STL 库的智能指针
C++ 规范模板库 STL 中提供了四种指针 auto_ptr, unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr。
auto_ptr 在 C++98 中提出，但其不能共享对象、不能治理数组指针，也不能放在容器中。因而在 C++11 中被摒弃，并提出 unique_ptr 来代替，反对治理数组指针，但不能共享对象。
shared_ptr 和 weak_ptr 则是 C++11 从规范库 Boost 中引入的两种智能指针。shared_ptr 用于解决多个指针共享一个对象的问题，但存在循环援用的问题，引入 weak_ptr 次要用于解决循环援用的问题。
接下来将具体介绍 shared_ptr，对于其它智能指针的更多信息和用法请读者自行查阅。
shared_ptr
shared_ptr 解决了在多个指针间共享对象所有权的问题，最后实现于 Boost 库中，起初收录于 C++11 中，成为了规范的一部分。shared_ptr 的用法如下
#include <memory>#include <iostream>using namespace std;class A {public: A() {}; ~A() { cout << "A is destroyed" << endl; }};int main(){ shared_ptr<A> sptrA(new A); cout << sptrA.use_count() << endl; { shared_ptr<A> cp_sptrA = sptrA; cout << sptrA.use_count() << endl; } cout << sptrA.use_count() << endl; return 0;}上述代码的意思是 cp_sptrA 申明并赋值后，援用计数减少 1，cp_sptrA 销毁后援用计数 -1，然而没有触发 A 的析构函数，在 sprtA 销毁后，援用计数变为 0，才触发析构函数，实现内存的回收。执行后果如下
121A is destroyedshared_ptr 次要的缺点是遇到循环援用时，将造成资源无奈开释，上面给出一个示例：
#include <memory>#include <iostream>using namespace std;class B;class A{public: A() : m_sptrB(nullptr) {}; ~A() { cout << " A is destroyed" << endl; } shared_ptr<B> m_sptrB;};class B{public: B() : m_sptrA(nullptr) {}; ~B() { cout << " B is destroyed" << endl; } shared_ptr<A> m_sptrA;};int main( ){ { shared_ptr<B> sptrB( new B );//sptrB对应的援用计数置为1 shared_ptr<A> sptrA( new A );//sptrA对应的援用计数置为1 sptrB->m_sptrA = sptrA;//sptrA对应的援用计数变成2，sptrB依然是1 sptrA->m_sptrB = sptrB;//sptrB对应的援用计数变成2，sptrA是2 } //退出main函数后，sptrA和sptrB对应的援用计数都-1，变成1， //此时A和B的析构函数都不能执行（援用计数为0能力执行），无奈开释内存 return 0;}在上述例子中，咱们首先定义了两个类 A 和 B：A 的成员变量是指向 B 的 shared_ptr 指针，B 的成员变量是指向 A 的 shared_ptr 指针。
而后咱们创立了 sptrB 和 sptrA 两个智能指针对象，并且互相赋值。这会造成环形援用，使得 A 和 B 的析构函数都无奈执行（能够通过 cout 观测），从而内存无奈开释。当咱们无奈防止循环应用时，能够应用 weak_ptr 来解决，这里不再开展，感兴趣的读者能够自行查阅。
TARS 智能指针 TC_AutoPtr 实现详解
TARS 诞生于 2008 年，过后 shared_ptr 还没有被收录到 STL 规范库中，因而本人实现了智能指针 TC_AutoPtr。TARS 的智能指针次要是对 auto_ptr 的改良，和 share_ptr 的思维基本一致，可能实现对象的共享，也能存储在容器中。与 shared_ptr 相比，TC_AutoPtr 更加轻量化，领有更好的性能，本文后续会比照。
在 TARS 中，智能指针类 TC_AutoPtr 是一个模板类，反对拷贝和赋值等操作，其指向的对象必须继承自智能指针基类 TC_HandleBase ，蕴含了对援用计数的加减操作。计数采纳的是 C++ 规范库 <atomic> 中的原子计数类型 std::atomic。
计数的实现封装在类 TC_HandleBase 中，开发者无需关注。应用时，只有将须要共享对象的类继承 TC_HandleBase，而后传入模板类 TC_AutoPtr 申明并结构对象即可，如下
#include <iostream>#include "util/tc_autoptr.h"using namespace std;// 继承 TC_HandleBaseclass A : public tars::TC_HandleBase{public: A() { cout << "Hello~" << endl; } ~A() { cout << "Bye~" << endl; }};int main(){ // 申明智能指针并结构对象 tars::TC_AutoPtr<A> autoA = new A(); // 获取计数 1 cout << autoA->getRef() << endl; // 新增共享 tars::TC_AutoPtr<A> autoA1(autoA); // 获取计数 2 cout << autoA->getRef() << endl;}应用形式和 shared_ptr 类似，能够通过函数 getRef 获取以后计数，getRef 定义于 TC_HandleBase 类中。运行后果如下
Hello~12Bye~上面咱们将自底向上介绍剖析原子计数器 std::atomic、智能指针基类 TC_HandleBase 和智能指针模板类 TC_AutoPtr，并对 TC_AutoPtr 与 shared_ptr 的性能进行简略的比照测试。
原子计数类 std::atomic
std::atomic 在 C++11 规范库 <atomic> 中定义。std::atomic 是模板类，一个模板类型为 T 的原子对象中封装了一个类型为 T 的值。
template <class T> struct atomic;原子类型对象的次要特点就是从不同线程拜访不会导致数据竞争(data race)。因而从不同线程拜访某个原子对象是良性 (well-defined) 行为。而通常对于非原子类型而言，并发拜访某个对象（如果不做任何同步操作）会导致未定义 (undifined) 行为产生。
C++11 规范库 std::atomic 提供了针对整型(integral)和指针类型的特化实现。上面是针对整型的特化实现的次要局部
template <> struct atomic<integral> { ... ... operator integral() const volatile; operator integral() const; atomic() = default; constexpr atomic(integral); atomic(const atomic&) = delete; atomic& operator=(const atomic&) = delete; atomic& operator=(const atomic&) volatile = delete; integral operator=(integral) volatile; integral operator=(integral); integral operator++(int) volatile; integral operator++(int); integral operator--(int) volatile; integral operator--(int); integral operator++() volatile; integral operator++(); integral operator--() volatile; integral operator--(); integral operator+=(integral) volatile; integral operator+=(integral); integral operator-=(integral) volatile; integral operator-=(integral); integral operator&=(integral) volatile; integral operator&=(integral); integral operator|=(integral) volatile; integral operator|=(integral); integral operator^=(integral) volatile; integral operator^=(integral);};能够看到重载了大部分整型中罕用的运算符，包含自增运算符 ++ 和自减运算符 --，能够间接应用自增或自减运算符间接对原子计数对象的援用值 +1 或 -1 。
智能指针基类 TC_HandleBase
TC_HandleBase 是 TARS 的智能指针基类，蕴含两个成员变量 _atomic 和 _bNoDelete，定义如下
protected: /** * 计数 */ std::atomic<int> _atomic; /** * 是否主动删除 */ bool _bNoDelete;TC_HandleBase，为 TARS 智能指针模板类 TC_AutoPtr<T> 提供援用计数的相干操作，减少计数和缩小计数接口的相干代码如下
/** * @brief 减少计数 */ void incRef() { ++_atomic; } /** * @brief 缩小计数 * 当计数==0时, 且须要删除数据时, 开释对象 */ void decRef() { if((--_atomic) == 0 && !_bNoDelete) { _bNoDelete = true; delete this; } } /** * @brief 获取计数. * @return int 计数值 */ int getRef() const { return _atomic; }能够看到，这里通过整型的原子计数类的对象 _atomic 实现援用计数，治理智能指针指向对象的援用计数。
智能指针模板类 TC_AutoPtr
TC_AutoPtr 的定义及其构造函数和成员变量如下述代码，成员变量 _ptr 是一个 T* 指针。构造函数初始化该指针并调用了 TC_HandleBase 成员函数 incRef 进行援用计数 +1，这要求类 T 是继承自 TC_HandleBase 的。
/** * @brief 智能指针模板类. * * 能够放在容器中,且线程平安的智能指针. * 通过它定义智能指针，该智能指针通过援用计数实现， * 能够放在容器中传递. * * template<typename T> T必须继承于TC_HandleBase */template<typename T>class TC_AutoPtr{public: /** * @brief 用原生指针初始化, 计数+1. * * @param p */ TC_AutoPtr(T* p = 0) { _ptr = p; if(_ptr) { _ptr->incRef(); } } ...public: T* _ptr;};TC_AutoPtr 在应用时能够简略的当作 STL 的 shared_ptr 应用，须要留神的是指向的对象必须继承自 TC_HandleBase（当然也能够本人实现智能指针基类，并提供与 TC_HandleBase 统一的接口），同时还要防止环形援用。上面咱们看一下 TC_AutoPtr 其余接口的定义：
/** * @brief 用其余智能指针r的原生指针初始化, 计数+1. * * @param Y * @param r */ template<typename Y> TC_AutoPtr(const TC_AutoPtr<Y>& r) { _ptr = r._ptr; if(_ptr) { _ptr->incRef(); } } /** * @brief 拷贝结构, 计数+1. * * @param r */ TC_AutoPtr(const TC_AutoPtr& r) { _ptr = r._ptr; if(_ptr) { _ptr->incRef(); } } /** * @brief 析构，计数-1 */ ~TC_AutoPtr() { if(_ptr) { _ptr->decRef(); } } /** * @brief 赋值, 一般指针 * @param p * @return TC_AutoPtr& */ TC_AutoPtr& operator=(T* p) { if(_ptr != p) { if(p) { p->incRef(); } T* ptr = _ptr; _ptr = p; //因为初始化时_ptr=NULL，因而计数不会-1 if(ptr) { ptr->decRef(); } } return *this; }能够看到，这些接口都满足通用的援用计数规定。
- 构造函数 ：除了初始化指针对象之外，将援用计数
+1； - 拷贝构造函数：拷贝指针，援用计数
+1； - 赋值操作符：拷贝指针，操作符左边的智能指针对应的援用计数
+1，右边的-1； - 析构函数：援用计数
-1；
TC_AutoPtr 劣势
通过上述剖析，能够发现 TC_AutoPtr 和 shared_ptr 在用法和性能上十分类似，都反对多个指针共享一个对象，反对存储在容器中，那 TC_AutoPtr 有什么劣势呢？
相比于 STL 库中的 shared_ptr，TC_AutoPtr 更加轻量，具备更好的性能，咱们能够通过如下简略的测试代码，通过测试二者结构和复制的耗时来掂量它们的性能
#include <iostream>#include <chrono>#include <memory>#include <vector>#include "util/tc_autoptr.h"using namespace tars;using namespace std;using namespace chrono;// 测试类class Test : public TC_HandleBase {public: Test() {}private: int test;};// 打印工夫距离void printDuration(const string & info, system_clock::time_point start, system_clock::time_point end) { auto duration = duration_cast<microseconds>(end - start); cout << info << double(duration.count()) * microseconds::period::num / microseconds::period::den << " s" << endl;}int main() { int exec_times = 10000000; // 次数 // 结构耗时比照 { auto start = system_clock::now(); for (int i = 0; i < exec_times; ++i) { TC_AutoPtr<Test> a = TC_AutoPtr<Test>(new Test); } auto end = system_clock::now(); printDuration("TC_AutoPtr construct: ", start, end); } { auto start = system_clock::now(); for (int i = 0; i < exec_times; ++i) { shared_ptr<Test> a = shared_ptr<Test>(new Test); } auto end = system_clock::now(); printDuration("shared_ptr construct: ", start, end); } // 复制耗时比照 { auto start = system_clock::now(); TC_AutoPtr<Test> a = TC_AutoPtr<Test>(new Test); for (int i = 0; i < exec_times; ++i) { TC_AutoPtr<Test> b = a; } auto end = system_clock::now(); printDuration("TC_AutoPtr copy: ", start, end); } { auto start = system_clock::now(); shared_ptr<Test> a = shared_ptr<Test>(new Test); for (int i = 0; i < exec_times; ++i) { shared_ptr<Test> b = a; } auto end = system_clock::now(); printDuration("shared_ptr copy: ", start, end); }}最初运行测试，输入的后果如下
TC_AutoPtr construct: 0.208995 sshared_ptr construct: 0.423324 sTC_AutoPtr copy: 0.107914 sshared_ptr copy: 0.107716 s能够看出，二者的复制性能相近，而结构性能上， TC_AutoPtr 要比 shared_ptr 快一倍以上。
总结
本文次要介绍了 TARS 的智能指针组件 TC_AutoPtr 和 STL 的智能指针 shared_ptr。TC_AutoPtr 指向继承自智能指针基类 TC_HandleBase 的对象。TC_HandleBase 通过原子计数器 std::atomic<int> 实现援用计数，确保援用计数是线程平安的。相比于 shared_ptr，TC_AutoPtr 领有更好的性能；而 shared_ptr 有更加欠缺的性能。TarsCpp 框架曾经反对 C++11，开发者可能依据业务具体需要自由选择。
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