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TarsCpp 组件 之 智能指针详解

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发布于: 2020 年 11 月 02 日


作者 Eaton


导语 在 C++ 中,内存管理是十分重要的问题,一不小心就会造成程序内存泄露,那么怎么避免呢?通过智能指针可以优雅地管理内存,让开发者只需要关注内存的申请,内存的释放则会被自动管理。在文章 开源微服务框架 TARS 之 基础组件中已经简要介绍过,TARS 框架组件中没有直接使用 STL 库中的智能指针,而是实现了自己的智能指针。本文将会分别对 STL 库中的智能指针和 TarsCpp 组件中的智能指针进行对比分析,并详细介绍 TARS 智能指针的实现原理。


目录


  • 智能指针

- 简介

- 引用计数原理

  • 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 优势


智能指针

简介


在计算机程序中,泄露是常见的问题,包括内存泄露和资源泄露。其中资源泄露指的是系统的 socket、文件描述符等资源在使用后,程序不再需要它们时没有得到释放;内存泄露指的是动态内存在使用后,程序不再需要它时没有得到释放。


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需要使用的。在 C++ 程序中,内存泄露常见于我们使用了 new 或者 malloc 申请动态存储区的内存,却忘了使用 delete 或者 free 去释放内存,造成系统内存的浪费,导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果。


随着计算机应用需求的日益增加,应用的设计与开发日趋复杂,开发人员在开发过程中处理的变量也越来越多。如何有效进行内存分配和释放、防止内存泄漏逐渐成为开发者面临的重要难题。为了解决忘记手动释放内存造成的内存泄露问题,智能指针诞生了。


常见的智能指针的使用场景,包括类中的成员变量(指针型)和普通的变量(指针型)。智能指针可以实现指针指向对象的共享,而无需关注动态内存的释放。通用实现技术是引用计数(Reference count),下一部分会介绍,简单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,减少一个则执行 -1

引用计数原理


引用计数是智能指针的一种通用实现技术,上图为大致流程,基本原理如下:


  1. 在每次创建类的新对象时,初始化指针并将引用计数置 1

  2. 当对象作为另一对象的副本而创建时(复制构造函数),复制对应的指针并将引用计数 +1

  3. 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引用计数 -1,将右操作数所指对象的引用计数 +1

  4. 调用析构函数数,引用计数 -1

  5. 上述操作中,引用计数减至 0 时,删除基础对象;


STL 库中的智能指针 shared_ptr 和 TARS 智能指针都使用了该引用计数原理,后面会进行介绍。


STL 库的智能指针

C++ 标准模板库 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、不能管理数组指针,也不能放在容器中。因此在 C++11 中被摒弃,并提出 unique_ptr 来替代,支持管理数组指针,但不能共享对象。


shared_ptrweak_ptr 则是 C++11 从标准库 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,但存在循环引用的问题,引入 weak_ptr 主要用于解决循环引用的问题。


接下来将详细介绍 shared_ptr,关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,最初实现于 Boost 库中,后来收录于 C++11 中,成为了标准的一部分。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;}
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上述代码的意思是 cp_sptrA 声明并赋值后,引用计数增加 1cp_sptrA 销毁后引用计数 -1,但是没有触发 A 的析构函数,在 sprtA 销毁后,引用计数变为 0,才触发析构函数,实现内存的回收。执行结果如下


121A is destroyed
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shared_ptr 主要的缺陷是遇到循环引用时,将造成资源无法释放,下面给出一个示例:


#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对应的引用计数置为1 shared_ptr<A> sptrA( new A );//sptrA对应的引用计数置为1 sptrB->m_sptrA = sptrA;//sptrA对应的引用计数变成2,sptrB仍然是1 sptrA->m_sptrB = sptrB;//sptrB对应的引用计数变成2,sptrA是2 } //退出main函数后,sptrA和sptrB对应的引用计数都-1,变成1, //此时A和B的析构函数都不能执行(引用计数为0才能执行),无法释放内存 return 0;}
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在上述例子中,我们首先定义了两个类 ABA 的成员变量是指向 Bshared_ptr 指针,B 的成员变量是指向 Ashared_ptr 指针。


然后我们创建了 sptrBsptrA 两个智能指针对象,并且相互赋值。这会造成环形引用,使得 AB 的析构函数都无法执行(可以通过 cout 观测),从而内存无法释放。当我们无法避免循环使用时,可以使用 weak_ptr 来解决,这里不再展开,感兴趣的读者可以自行查阅。


TARS 智能指针 TC_AutoPtr 实现详解


TARS 诞生于 2008 年,当时 shared_ptr 还没有被收录到 STL 标准库中,因此自己实现了智能指针 TC_AutoPtr。TARS 的智能指针主要是对 auto_ptr 的改进,和 share_ptr 的思想基本一致,能够实现对象的共享,也能存储在容器中。与 shared_ptr 相比,TC_AutoPtr 更加轻量化,拥有更好的性能,本文后续会对比。


在 TARS 中,智能指针类 TC_AutoPtr 是一个模板类,支持拷贝和赋值等操作,其指向的对象必须继承自智能指针基类 TC_HandleBase ,包含了对引用计数的加减操作。计数采用的是 C++ 标准库 <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。使用时,只要将需要共享对象的类继承 TC_HandleBase,然后传入模板类 TC_AutoPtr 声明并构造对象即可,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(){ // 声明智能指针并构造对象 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;}
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使用方式和 shared_ptr 相似,可以通过函数 getRef 获取当前计数,getRef 定义于 TC_HandleBase 类中。运行结果如下


Hello~12Bye~
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下面我们将自底向上介绍分析原子计数器 std::atomic、智能指针基类 TC_HandleBase 和智能指针模板类 TC_AutoPtr,并对 TC_AutoPtrshared_ptr 的性能进行简单的对比测试。


原子计数类 std::atomic


std::atomic 在 C++11 标准库 <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;
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原子类型对象的主要特点就是从不同线程访问不会导致数据竞争(data race)。因此从不同线程访问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,并发访问某个对象(如果不做任何同步操作)会导致未定义 (undifined) 行为发生。


C++11 标准库 std::atomic 提供了针对整型(integral)和指针类型的特化实现。下面是针对整型的特化实现的主要部分


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);};
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可以看到重载了大部分整型中常用的运算符,包括自增运算符 ++ 和自减运算符 --,可以直接使用自增或自减运算符直接对原子计数对象的引用值 +1-1


智能指针基类 TC_HandleBase


TC_HandleBase 是 TARS 的智能指针基类,包含两个成员变量 _atomic_bNoDelete,定义如下


protected:    /**     * 计数     */    std::atomic<int> _atomic;    /**     * 是否自动删除     */    bool             _bNoDelete;
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TC_HandleBase,为 TARS 智能指针模板类 TC_AutoPtr<T> 提供引用计数的相关操作,增加计数和减少计数接口的相关代码如下


    /**     * @brief 增加计数     */    void incRef() { ++_atomic; }
/** * @brief 减少计数 * 当计数==0时, 且需要删除数据时, 释放对象 */ 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; }
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可以看到,这里通过整型的原子计数类的对象 _atomic 实现引用计数,管理智能指针指向对象的引用计数。


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 进行引用计数 +1,这要求类 T 是继承自 TC_HandleBase 的。


/** * @brief 智能指针模板类.  *  * 可以放在容器中,且线程安全的智能指针.  * 通过它定义智能指针,该智能指针通过引用计数实现,  * 可以放在容器中传递.    *  * 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;};
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TC_AutoPtr 在使用时可以简单的当作 STL 的 shared_ptr 使用,需要注意的是指向的对象必须继承自 TC_HandleBase(当然也可以自己实现智能指针基类,并提供与 TC_HandleBase 一致的接口),同时还要避免环形引用。下面我们看一下 TC_AutoPtr 其他接口的定义:


    /**	 * @brief 用其他智能指针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 拷贝构造, 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, 普通指针 * @param p * @return TC_AutoPtr& */ TC_AutoPtr& operator=(T* p) { if(_ptr != p) { if(p) { p->incRef(); }
T* ptr = _ptr; _ptr = p;
//由于初始化时_ptr=NULL,因此计数不会-1 if(ptr) { ptr->decRef(); } } return *this; }
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可以看到,这些接口都满足通用的引用计数规则。


  • 构造函数 :除了初始化指针对象之外,将引用计数 +1

  • 拷贝构造函数:拷贝指针,引用计数 +1

  • 赋值操作符:拷贝指针,操作符右边的智能指针对应的引用计数 +1,左边的 -1

  • 析构函数:引用计数 -1


TC_AutoPtr 优势


经过上述分析,可以发现 TC_AutoPtrshared_ptr 在用法和功能上非常相似,都支持多个指针共享一个对象,支持存储在容器中,那 TC_AutoPtr 有什么优势呢?


相比于 STL 库中的 shared_ptrTC_AutoPtr 更加轻量,具有更好的性能,我们可以通过如下简单的测试代码,通过测试二者构造和复制的耗时来衡量它们的性能


#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;};
// 打印时间间隔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
// 构造耗时对比 { 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); }
// 复制耗时对比 { 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); }}
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最后运行测试,输出的结果如下


TC_AutoPtr construct: 0.208995 sshared_ptr construct: 0.423324 sTC_AutoPtr copy: 0.107914 sshared_ptr copy: 0.107716 s
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可以看出,二者的复制性能相近,而构造性能上, TC_AutoPtr 要比 shared_ptr 快一倍以上。


总结

本文主要介绍了 TARS 的智能指针组件 TC_AutoPtr 和 STL 的智能指针 shared_ptrTC_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> 实现引用计数,确保引用计数是线程安全的。相比于 shared_ptrTC_AutoPtr 拥有更好的性能;而 shared_ptr 有更加完善的功能。TarsCpp 框架已经支持 C++11,开发者能够根据业务具体需求自由选择。


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