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侵入式智能指针 boost::intrusive_ptr

 3 years ago
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侵入式智能指针 boost::intrusive_ptr

作者: 张志强

, 发表于 2020-01-11

, 共 1995 字 , 共阅读 174 次

如果理解了侵入式容器，侵入式智能指针也很容易理解。传统的智能指针std::shared_ptr使用了和数据无关的引用计数，这带来两个问题：

  • 引用计数要在shared_ptr对象间共享，所以它只能位于堆上。这使得每次都需要重新new一小块内存。这导致性能问题。
  • 引用计数的内存区域和数据区域不一致，缓存失效导致性能问题。
  • 编写代码不善，将导致同一个数据，绑定到了两个引用计数，从而导致双重删除问题。典型代码如下：
int* x = new int;
std::shared_ptr<int> x1 = x;
std::shared_ptr<int> x2 = x;

侵入式智能指针试图解决这些问题，方法也特别直接，那就是将引用计数直接塞进数据本身，和数据共存亡。从用户角度，这只需要继承boost::intrusive_ptr_base基类：

struct T : public boost::intrusive_ptr_base<T> { 
    int age;
    std::string name;
};

T* t = new T();

// 下面这么些很安全，而且速度很快！
boost::intrusive_ptr<T> x1 =t;
boost::intrusive_ptr<T> x2 =t;

我们看boost::intrusive_ptr_base的定义，其核心就是增加一个原子操作的引用计数，以及自增和自减引用计数的函数：

template<class T>
class boost::intrusive_ptr_base {
public:
    intrusive_ptr_base() : ref_count(0) {}

    friend void intrusive_ptr_add_ref(intrusive_ptr_base<T> const* p) {
        ++p->ref_count;
    }

    friend void intrusive_ptr_release(intrusive_ptr_base<T> const* p) {
        if (--p->ref_count == 0) {
            boost::checked_delete(static_cast<T const*>(s));
        }
    }

    boost::intrusive_ptr<T> self() {
        return boost::intrusive_ptr<T>((T*)this);
    }

private:
    mutable boost::detail::atomic_count ref_count;
};

接下来实际的boost::intrusive_ptr的定义就很简单了：

template<class T> 
class boost::intrusive_ptr {
public:
    intrusive_ptr(T* p, bool add_ref = true) : px(p) {
        if (px != 0 && add_ref) {
            intrusive_ptr_add_ref(px);
        }
    }

    ~intrusive_ptr() {
        if (px != 0) {
            intrusive_ptr_release(px);
        }
    }

private:
    T * px;
}

由于解决了std::shared_ptr的三个问题，boost::intrusive_ptr的效率更高。但它也有缺陷。除了侵入式设计之外，最重要的是boost::intrusive_ptr无法支持weak_ptr，从而无法解决环形引用问题。这时因为std::shared_ptr里的数据对象和计数器分离，可以有不同的生命周期。shared_ptr的引用计数里有两个计数对象，从而支持weak_ptr。

另外一个方面，std::shared_ptr也意识到了其性能问题，内部也提供机制解决这些问题，其核心便是std::make_shared和std::enable_shared_from_this。

参考：C++智能指针 3 ：内存布局（非侵入式、enable_shared_from_this & 侵入式）

Q. E. D.


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