2021-06-06 21:43 南京理工大学 C++

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源码分析auto_ptr & unique_ptr 设计

从本期，就开始智能指针源码分析之路，从源码中了解他们的设计。

智能指针，可以分为两类：

独占型：如std::unique_ptr，一份资源，仅能由一个std::unique_ptr对象管理；
共享型：如std::shared_ptr，一份资源，可以由多个std::shared_ptr对象共同管理，当没有std::shared_ptr对象指向这份的资源，资源才会被释放，即基于引用技术原理。

本期，先来讲解std::unique_ptr，之后会分几期来讲解std::shared_ptr的设计。

不过，在讲解std::unique_ptr之前，先讲解下C++03中的失败品：std::auto_ptr。

std::auto_ptr

原本也是想要将 std::auto_ptr 设计成资源独占型的指针，即像现在的std::unique_ptr，但由于移动语义直到C++11中才出现，使得std::auto_ptr终究成了失败品。

不明白，没关系，go on。

在C++03标准下，有如下demo中的一个场景。

int main(int argc, char const *argv[]) {
    std::auto_ptr<int> iptr(new int(1));
    std::vector<std::auto_ptr<int> > integer_vec;

    integer_vec.push_back(iptr);
    return 0;
}

由于在C++03标准中还没有引入移动语义，只能以push_back函数向vector中添加元素。

如果你没接触过std::auto_ptr，应该会认为上面的demo是能编译通过的，但实际上是无法编译通过的。

编译指令如下：

$ g++ -std=c++03  main.cc -o main && ./main

下面只贴出最初的错误信息：

gcc-8.2/include/c++/8.2.0/ext/new_allocator.h:146:9: error: no matching function for call to ‘std::auto_ptr<int>::auto_ptr(const std::auto_ptr<int>&)’
       { ::new((void *)__p) _Tp(__val); }
         ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

先给出导致错误的结论：是由于类std::auto_ptr 没有提供const std::auto_ptr<T>&类型的复制构造函数。

那为啥会没有呢？

因为std::auto_ptr的设计者，想使std::auto_ptr的复制构造函数具备移动构造函数的属性（如果不懂右值、移动等内容，可以看看右值引用的正确用法），这就使得std::auto_ptr复制构造函数的输入参数__a不能由 const 修饰，否则__a指向的资源就无法移动到新创建的对象中了。

auto_ptr(auto_ptr& __a) throw() : _M_ptr(__a.release()) {}

这就导致std::auto_ptr中，所有和赋值有关的操作，都不能有const修饰。

std::auto_ptr的核心代码如下。

template <typename _Tp>
class auto_ptr
{
private:
  _Tp *_M_ptr;
public:
  typedef _Tp element_type;

  explicit auto_ptr(element_type *__p = 0) throw() : _M_ptr(__p) { }

  auto_ptr(auto_ptr& __a) throw() : _M_ptr(__a.release()) {} 

  template <typename _Tp1>
  auto_ptr(auto_ptr<_Tp1>& __a) throw() : _M_ptr(__a.release()) {}

  auto_ptr &operator=(auto_ptr& __a) throw() {
    reset(__a.release());
    return *this;
  }

  ~auto_ptr() { delete _M_ptr; }

  element_type* release() throw() {
    element_type *__tmp = _M_ptr;
    _M_ptr = 0;
    return __tmp;
  }

  void reset(element_type *__p = 0) throw() {
    if (__p != _M_ptr) {
      delete _M_ptr;
      _M_ptr = __p;
    }
  }
  //...
};

by the way

对于最上面的demo，我们再啰嗦几点：为什么会在 construct函数中报错？

因为push_back函数中，输入参数__x是const std::auto_ptr&类型，能接受iptr：

template<typename _Tp, typename _Alloc> 
void std::vector<_Tp, _Alloc>::push_back(const value_type& __x);

在push_back函数内部会调用 _Alloc_traits::construct 函数来构造一个新的std::auto_ptr对象obj，然后将这个obj放到integer_vec中。
```
 _Alloc_traits::construct(this->_M_impl, this->_M_impl._M_finish, __x);
```
因为要构造obj，那么必要会调用std::auto_ptr的复制构造函数，且输入参数是__x；
但由于__x 是 const std::auto_ptr& 类型，二std::auto_ptr的复制构造函数输入类型是std::auto_ptr&，接受不了__x作为输入，因此会导致construct函数执行失败。出现上述的错误。

std::unique_ptr

C++11引入移动语义，提出了std::unique_ptr，才真正地完成了std::auto_ptr的设计意图，而原本的std::auto_ptr也被标记为deprecated。

由于 std::unique_ptr 对象管理的资源，不可共享，只能在 std::unique_ptr 对象之间转移，因此类std::unique_ptr 就禁止了复制构造函数、赋值表达式，仅实现了移动构造函数等。

此外，std::unique_ptr 有两个版本：

管理单个对象（例如以 new 分配）
管理动态分配的对象数组（例如以 new[] 分配）

因此， std::unique_ptr 的类模板有如下两个。

  /// 适合 new 分配的内存
  template <typename _Tp, typename _Dp = default_delete<_Tp>>
  class unique_ptr { /****/ };

  /// 针对 new[] 特化
  template <typename _Tp, typename _Dp>
  class unique_ptr<_Tp[], _Dp> { /****/ };

在下面的情况中，std::unique_ptr对象管理的资源，会调用传入的析构器_Dp来释放放资源：

当前std::unique_ptr 对象被销毁，生命周期结束；
重新给当前std::unique_ptr对象赋值，比如调用 operator=、reset() 等操作。

下面就先讲解下默认的析构器std::default_delete。

std::default_delete

由于std::unique_ptr 有两个版本，因此默认的析构器也存在两个版本，即对new[] 进行特化。

此外，这就导致后文的make_unique 函数也需要对new[]进行特化。

  template <typename _Tp>
  struct default_delete { /****/ };

  template <typename _Tp>
  struct default_delete<_Tp[]> { /****/ };

由于默认采用new、new[]来分配内存的，而sd::default_delete 实际上是个仿函数，内部也是基于delete、delete[]来释放内存资源的。

delete

类std::default_delete 实际上是个仿函数，并且是个空类，因此他的默认构造函数直接设置为default了。

  template <typename _Tp>
  struct default_delete
  {
    /// @brief 默认构造函数
    constexpr default_delete() noexcept = default;

    /// @brief 复制构造函数
    ///        _Up* 必须能转为 _Tp*，否则无法编译通过
    template <typename _Up, 
              typename = typename enable_if<is_convertible<_Up*, _Tp*>::value>::type>
    default_delete(const default_delete<_Up>& ) noexcept { }

    /// @brief 释放内存
    void operator()(_Tp *__ptr) const;
  };

此外，std::default_delete 还有个复制构造函数，这里传入_Up*参数必须能转换为 _Tp* 类型，否则在编译期会报错。所谓_Up* 能转换为 _Tp*，即is_convertible<_Up*, _Tp*>::value 为 true，这个值在编译期就能确定，如果为false，就相当于不存在这个复制构造函数。

不信，可以把下面的代码复制到IDE中，会有红线提示，编译会出错。

 std::is_convertible<float*, double*>::value;                  // false: float* 不能直接转换为 double*
 std::default_delete<double> de(std::default_delete<float>{}); // compile error

在std::default_delete的内部，实现的operator() 函数会调用delete来析构传入的指针__ptr，对于__ptr需要满足两点：

__ptr不能是个void类型；
大小也不能是0。

否则无法提供完整的信息去析构__ptr指向的内存。

  void operator()(_Tp *__ptr) const
  {
    static_assert(!is_void<_Tp>::value, "can't delete pointer to incomplete type");
    static_assert(sizeof(_Tp) > 0, "can't delete pointer to incomplete type");
    delete __ptr;
  }

那么，你就可以这样来使用std::default_delete：

  int* iptr = new int;
  //...
  std::default_delete<int>()(iptr); // delete iptr;

使用valgrind检测也不存在内存泄露。

delete[]

当输入类型是_Tp[]时，会进入此版本。实现和上面的版本差不多。

  template <typename _Tp>
  struct default_delete<_Tp[]>
  {
  public:
    /// @brief 默认构造函数
    constexpr default_delete() noexcept = default;

    /// @brief 复制构造函数
    template <typename _Up, 
              typename = typename enable_if<is_convertible<_Up (*)[], _Tp (*)[]>::value>::type>
    default_delete(const default_delete<_Up[]> &) noexcept {}

    /// @brief 释放内存
    template <typename _Up>
              typename enable_if<is_convertible<_Up (*)[], _Tp (*)[]>::value>::type
    operator()(_Up *__ptr) const
    {
      static_assert(sizeof(_Tp) > 0, "can't delete pointer to incomplete type");
      delete[] __ptr;
    }
  };

因此，这样就可以使用

  int* iptr = new int[3];
  //...
  std::default_delete<int[]>()(iptr);

使用valgrind检查也没有任何内存泄露。

因此，std::default_delete 对两种常用的内存释放方式进行重载，提供了同一个统一接口。

std::__uniq_ptr_impl

类std::unique_ptr 内部只有一个成员变量，其类型是 std::__uniq_ptr_impl。

类std::__uniq_ptr_impl实际上就一个<pointer, Deleter>的一个wrapper，即简单封装了指向资源的指针，以及对应的析构器 Deleter。

先大致看下std::__uniq_ptr_impl的部分实现。

  template <typename _Tp, typename _Dp>
  class __uniq_ptr_impl
  {
    //...
  public:
    using _DeleterConstraint = enable_if<__and_<__not_<is_pointer<_Dp>>, 
                                                is_default_constructible<_Dp>>::value>;

    __uniq_ptr_impl() = default;
    __uniq_ptr_impl(pointer __p) : _M_t() { _M_ptr() = __p; }

    template <typename _Del>
    __uniq_ptr_impl(pointer __p, _Del&& __d)
    : _M_t(__p, std::forward<_Del>(__d)) { }

    pointer&   _M_ptr()           { return std::get<0>(_M_t); }
    pointer    _M_ptr()     const { return std::get<0>(_M_t); }
    _Dp&       _M_deleter()       { return std::get<1>(_M_t); }
    const _Dp& _M_deleter() const { return std::get<1>(_M_t); }

    void swap(__uniq_ptr_impl& __rhs) noexcept
    {
      std::swap(this->_M_ptr(), __rhs._M_ptr());
      std::swap(this->_M_deleter(), __rhs._M_deleter());
    }

  private:
    tuple<pointer, _Dp> _M_t; // pointer 的定义后文讲解
  };

类std::__uniq_ptr_impl 的成员变量_M_t是由tuple类型：

第一个成员：是指针，指向资源；
第二个成员：是析构器，用于释放指针指向的资源。

由于在X86-84位系统上指针大小是8，而_Dp在默认情况下（即std::default_delete）是个空类，得益于空基类优化，因此_M_t 的大小是8。

NOTICE：如果自定义了一个Deleter，且不是空类，则std::unique_ptr的大小会增加。

下面，来分析下std::__uniq_ptr_impl 中的 pointer类型，他的完整实现及注释如下。

因此，当_Dp是默认的析构器std::default_delete时，pointer 即 _Tp*。

  template <typename _Tp, typename _Dp>
  class __uniq_ptr_impl
  {    
    /// 原型
    /// @brief 特化版本决议失败，则会进入此版本
    /// @type  此时 type 就是 _up*
    template <typename _Up, typename _Ep, typename = void>
    struct _Ptr
    {
      using type = _Up*;
    };

    /// 特化版本
    /// @brief 如果 类 _Ep 中有 pointer 的定义，则会进入此特化版本
    /// @type  此时 type 是 _Ep 中的 pointer 
    template <typename _Up, typename _Ep>
    struct _Ptr<_Up, _Ep, __void_t<typename remove_reference<_Ep>::type::pointer>>
    {
      using type = typename remove_reference<_Ep>::type::pointer;
    };
    public:
    using pointer = typename _Ptr<_Tp, _Dp>::type;
    //...
  }；

std::unique_ptr

分析的进度终于到了类std::unique_ptr，它的设计主要如下四点：

禁止复制构造函数、复制赋值的重载，即设置为=delete；
实现各种移动构造函数；
实现移动赋值重载，即operator=，需要先释放本身的资源，再将对方的资源移动过来；
如果资源没有释放过，则会在析构函数中释放。

为便于理解，先看下std::unique_ptr的部分源码及其注释，另一个特化版本差不多。

  template <typename _Tp, typename _Dp = default_delete<_Tp>>
  class unique_ptr
  {
    template <typename _Up>
    using _DeleterConstraint = typename __uniq_ptr_impl<_Tp, _Up>::_DeleterConstraint::type;

    __uniq_ptr_impl<_Tp, _Dp> _M_t; // 成员变量

  public:
    using pointer = typename __uniq_ptr_impl<_Tp, _Dp>::pointer;
    using element_type = _Tp;
    using deleter_type = _Dp;

  private:
    /// 用于检测从另一个 std::unique_ptr 对象转换过来是否安全
    template <typename _Up, typename _Ep>
    using __safe_conversion_up = __and_<is_convertible<typename unique_ptr<_Up, _Ep>::pointer, pointer>,
                                        __not_<is_array<_Up>>>;
  public:
    /*** Move constructors. ***/

    /// @brief 移动构造函数
    unique_ptr(unique_ptr&& __u) noexcept
    : _M_t(__u.release(), std::forward<deleter_type>(__u.get_deleter())) { }

    /// @brief 移动赋值
    unique_ptr& operator=(unique_ptr&& __u) noexcept
    {
      reset(__u.release()); 
      get_deleter() = std::forward<deleter_type>(__u.get_deleter());
      return *this;
    }

    /// @brief 设置 unique_ptr 对象为初始化状态
    unique_ptr& operator=(nullptr_t) noexcept
    {
      reset();
      return *this;
    }

    /// @brief 禁止复制
    unique_ptr(const unique_ptr &) = delete;
    unique_ptr &operator=(const unique_ptr &) = delete;

    ~unique_ptr() noexcept
    {
      static_assert(__is_invocable<deleter_type&, pointer>::value,
                    "unique_ptr's deleter must be invocable with a pointer");
      auto& __ptr = _M_t._M_ptr();
      if (__ptr != nullptr)
         get_deleter()(std::move(__ptr)); // 析构
      __ptr = pointer();                  // 设置为初始化状态
    }

    /// @brief 返回指针
    pointer get() const noexcept
    { return _M_t._M_ptr(); }

     /// @brief 返回一个指向内部的deleter的引用
    deleter_type& get_deleter() noexcept
    {
      return _M_t._M_deleter();
    }

    /// Return @c true if the stored pointer is not null.
    explicit operator bool() const noexcept
    {
      return get() == pointer() ? false : true;
    }

    /// Release ownership of any stored pointer.
    pointer release() noexcept
    {
      pointer __p = get();
      _M_t._M_ptr() = pointer();
      return __p;
    }

    void reset(pointer __p = pointer()) noexcept
    {
      static_assert(__is_invocable<deleter_type &, pointer>::value,
                    "unique_ptr's deleter must be invocable with a pointer");
      std::swap(_M_t._M_ptr(), __p);
      if (__p != pointer())
        get_deleter()(std::move(__p));
    }

    void swap(unique_ptr &__u) noexcept
    {
      static_assert(__is_swappable<_Dp>::value, "deleter must be swappable");
      _M_t.swap(__u._M_t);
    }
    //...
  };

std::unique_ptr 的设计总体比较清晰。

到此，std::unique_ptr的设计分析差不多就结束了，下面对源码中（上面未列出）几个模板稍微分析下。

_DeleterConstraint

_DeleterConstraint 定义于std::__uniq_ptr_impl之中，用于限制传入的析构器Deleter必须满足以下两点：

传入的Deleter 不能是指针；
必须具备默认构造函数。

否则，std::unique_ptr 的构造函数会失败。

    using _DeleterConstraint = enable_if<__and_<__not_<is_pointer<_Dp>>, 
                                            is_default_constructible<_Dp>>::value>;

    /// 构造函数
    template <typename _Del = _Dp, typename = _DeleterConstraint<_Del>>
    constexpr unique_ptr() noexcept
    : _M_t()
    { }

    template <typename _Del = _Dp, typename = _DeleterConstraint<_Del>>
    explicit unique_ptr(pointer __p) noexcept
    : _M_t(__p)
    { }

_Require

其原型如下：

 template<typename... _Cond>
 using _Require = __enable_if_t<__and_<_Cond...>::value>;

_Require模板是要求所有传入的条件Cond都为true，则_Require修饰的函数才会存在。

    /// @brief 如果传入的 _Del 没有复制构造函数，则unique_ptr此版本构造函数就不存在
    template <typename _Del = deleter_type,
              typename = _Require<is_copy_constructible<_Del>>>
    unique_ptr(pointer __p, const deleter_type& __d) noexcept
    : _M_t(__p, __d) {}

    /// @brief 如果传入的 _Del 没有移动构造函数，则 unique_ptr此版本构造函数就不存在
    template <typename _Del = deleter_type,
              typename = _Require<is_move_constructible<_Del>>>
    unique_ptr(pointer __p, __enable_if_t<!is_lvalue_reference<_Del>::value, _Del&&> __d) noexcept
    : _M_t(__p, std::move(__d))
    { }

__safe_conversion_up

在构造函数中，有时候需要通过其他std::unique_ptr对象来构造当前std::unique_ptr对象，但是pointer类型可能不同，模板__safe_conversion_up可以在编译期确定是否可以转换。

template <typename _Up, typename _Ep>
using __safe_conversion_up = __and_<is_convertible<typename unique_ptr<_Up, _Ep>::pointer, pointer>,
                                    __not_<is_array<_Up>>>;

此外还有个条件模板conditional，实现编译期的条件表达式：

  // _Cond ? _Iftrue ： _Iffalse;

  // 原型
  template<bool _Cond, typename _Iftrue, typename _Iffalse>
  struct conditional
  { typedef _Iftrue type; };

  // 特化
  template<typename _Iftrue, typename _Iffalse>
  struct conditional<false, _Iftrue, _Iffalse>
  { typedef _Iffalse type; };

最终，可以用于构造函数。

 /// @brief 由其他std::unique_ptr对象 __u 构造this
 template <typename _Up, 
           typename _Ep, 
           typename = _Require<__safe_conversion_up<_Up, _Ep>,   // 先判断指针，必须可转换
           typename conditional<is_reference<_Dp>::value,        // 再判断析构器
                                is_same<_Ep, _Dp>,               
                                is_convertible<_Ep, _Dp>>::type>>
  unique_ptr(unique_ptr<_Up, _Ep>&& __u) noexcept
  : _M_t(__u.release(), std::forward<_Ep>(__u.get_deleter()))
  { }

std::make_unique

最后，再来看下std::make_unique 函数，它在C++14中引入，这在之前的编译器优化之copy elision一期中也讲解过怎么设计它。

现在，我们再来看看C++14中 std::make_unique() 的实现，如下。

  /*** 返回类型 ***/

  /// 原型
  template <typename _Tp>
  struct _MakeUniq
  { typedef unique_ptr<_Tp> __single_object; };

  /// @brief 为数组类型特化
  template <typename _Tp>
  struct _MakeUniq<_Tp[]>
  { typedef unique_ptr<_Tp[]> __array; };

  /// @brief 无效
  template <typename _Tp, size_t _Bound>
  struct _MakeUniq<_Tp[_Bound]>
  {
    struct __invalid_type { };
  };

  /*** 函数实现 ***/

  /// std::make_unique for single objects
  template <typename _Tp, typename... _Args>
  inline 
  typename _MakeUniq<_Tp>::__single_object make_unique(_Args&& ...__args)
  { return unique_ptr<_Tp>(new _Tp(std::forward<_Args>(__args)...)); }

  /// std::make_unique for arrays of unknown bound
  template <typename _Tp>
  inline 
  typename _MakeUniq<_Tp>::__array make_unique(size_t __num)
  { return unique_ptr<_Tp>(new remove_extent_t<_Tp>[__num]()); }

  /// Disable std::make_unique for arrays of known bound
  template <typename _Tp, typename... _Args>
  inline 
  typename _MakeUniq<_Tp>::__invalid_type make_unique(_Args&& ...) = delete;

结束，再回顾下std::unique_ptr 和 std::auto_ptr。

可以发现std::auto_ptr的失败在于CXX03中并不支持移动语义，而std::auto_ptr 却试图用复制构造函数来实现移动构造函数的功能，结果导致其无法与vector 等容器兼容，论为失败品。

std::unique_ptr 的分析为止。

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