玩转OurBMC第十期：OpenBMC之shared_ptr使用

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在OpenBMC的众多使用C++开发的软件包中，广泛采用了智能指针，如shared_ptr和unique_ptr，以实现对象的有效管理和自动释放。本期内容，我们将重点介绍shared_ptr的使用。我们将概述shared_ptr的基本概念、结构和使用方法，然后分享一些实践经验和总结，以帮助读者更好的理解和运用shared_ptr。

shared_ptr 与裸指针

智能指针shared_ptr相比于传统的裸指针，显著增强了对象管理的能力，通过引入引用计数机制，实现了对象的自动释放，从而避免了内存泄漏等问题。本节内容，我们基于64位系统环境，利用GDB调试工具，深入shared_ptr的内部数据结构，详细解析shared_ptr与裸指针在内存管理和功能上的差异。

图 1 shared_ptr与裸指针的区别使用

图 1 中的示例程序进行简单的调试分析。定义为shared_ptr类型的变量sp，如图 1 红色方框所示，其占用的内存大小为16字节，即为两个裸指针的大小。黄色方框表示shared_ptr内部有一个指向对象本身的裸指针（如 0x0000000000416ec0），这个指针指向了一个整型对象（值为7，绿色方框所示）。此外，shared_ptr还包含或指向一个控制块（control block），该控制块通过另一个内部指针（如 0x0000000000416eb0）访问，用于管理对象的引用计数和其他可能的元数据。

图 2 shared_ptr结构示意图

基于图 1 的调试结果，我们可以使用图 2 来对shared_ptr的结构进行分析总结。变量sp占用0x7fff ffffd820~0x7fff fffd830，共16字节大小的内存。在这16字节的内存中，shared_ptr内部包含两个裸指针：

（1）低地址部分（0x7fffffffd820）： 这部分存储了一个指向整型对象的指针值（0x416ec0）。这个指针直接指向了由shared_ptr管理的整型对象（值为7）。

（2）高地址部分（0x7fffffffd828）： 紧接着低地址部分之后，这部分存储了一个指向控制块的指针值（0x416eb0）。控制块负责维护对象的引用计数和其他可能的元数据，以确保在最后一个shared_ptr被销毁时能够自动释放对象。

相比之下，图 3 展示的裸指针结构，仅包含一个指向整型对象的指针值（0x416ed0），没有自动内存管理的功能，需要程序员手动管理对象的生命周期。

图 3 裸指针结构示意图

shared ptr 与 make shared

构造shared_ptr对象，通常有如下两种方式：

（1）auto sp = shared_ptr<T>(new T(… args))；

（2）auto sp = make_shared<T>(… args)；

接下来，将通过具体的代码示例来阐述这两种构造shared_ptr对象方式的优缺点。

图 4 shared_ptr对象构造方式

从图 4 可以看出，使用裸指针方式直接构造shared_ptr对象时，其指向对象的指针地址，和指向控制块的指针地址通常不是连续分配的。这是因为首先通过new操作符单独为对象分配内存，构造整型对象整数7（地址为：0x418eb0）；随后 shared_ptr构造函数内部再为控制块分配内存（地址：0x418ed0），共申请了两次内存。而使用make_shared方式构造shared_ptr对象时，指向对象的指针，和指向控制块的指针地址值是连续分配的。这两种方式，都是低地址存放对象指针值，高地址存放控制块指针值。

表 1 两种构造方式的异同

表 1 总结了这两种方式区别点和相同点。make_shared<T>的构造方式通过仅执行一次内存申请操作，相比使用new方式构造，其性能会有所提升。这是因为 make_shared能够将对象的内存和控制块（包括引用计数等信息）的内存作为一个整体连续分配，使得对象指针和控制块的指针在物理内存中的地址是连续的。这种内存布局利用了CPU的缓存局部性原理，在程序接连访问对象和引用计数时，能够更有效地利用CPU缓存，从而进一步提升性能。因此，在可能的情况下，推荐使用make_shared<T>的方式来构造shared_ptr对象。

shared_ptr 与 weak_ptr

shared_ptr虽然能够根据引用计数是否为0来自动管理内存释放，从而有效防止内存泄漏。然而，在涉及环状引用结构的场景中，因引用计数无法为0，造成内存无法被释放，导致内存泄漏。

以图 5 左侧的代码做示例，使用shared_ptr构造环状链表后，由于head和ptr相互持有对方的引用，它们的引用计数将永远无法降至0。因此，链表内的两个节点都未调用析构函数释放内存，可被valgrind工具检测到内存泄漏的现象。

图 5 环状链表出现内存泄漏

为解决此类环状链表问题，需要引入weak_ptr。weak_ptr是一种不增加对象引用计数的智能指针，它指向一个由 shared_ptr管理的对象，但不拥有该对象。通过使用weak_ptr来打破环状引用中的一个或多个链接，可以确保至少有一个shared_ptr的引用计数能够降为0，从而触发内存的释放。

图 6 环状链表无内存泄漏

可将图 5 左侧代码里的第41行，用weak_ptr替换shared_ptr，修改成如图 6 所示的代码。程序运行后，使用valgrind工具检测，发现无内存泄漏的现象。即使用weak_ptr构造环状链表，会构造两个节点，在进程退出时，自动调用析构函数，释放节点的内存。上述示例，可见weak_ptr能实现环状链表自动释放内存，修复内存泄漏的问题。

使用GDB调试图 6 程序，进一步观察环状链表逐个释放节点的步骤。如图 7 所示：

（1）head指向管理对象的地址为0x41bec0，其next指向ptr的管理对象地址0x41c310。而ptr的next指向head的管理对象地址0x41bec0。因此，head与ptr这两个节点，形成了以环状链表。

（2）ptr->next指向的节点，即为头指针head，其引用计数依然为1，head和 ptr没有相互持有对方的引用。

（3）自动释放对象，调用析构函数。

图 7 释放环状链表的节点

enable_shared_from_this

enable_shared_from_this使用私有成员weak-this，跟踪首次管理对象的shared_ptr控制块。即shared_ptr<T>的构造函数，会主动检测基类enable_shared_from_this<T>实例化的对象，是否存在可访问。若不存在，则构造shared_ptr<T>对象，并实例化私有成员weak-this。

• 使用shared_from_this管理对象时，需要知道该对象是否已经被shared_ptr持有，管理该对象的共享计数，否则会在运行时抛出bad_weak_ptr异常。
• 对shared_ptr提供安全的保护机制，避免多个shared_ptr在没检测到彼此时，导致双重析构、释放内存的问题。

图 8 enable_shared_from_this示例

图 8 采用CppReference的示例代码，分别说明bad_weak_ptr异常，和双重析构、释放内存问题。

总的来说，shared_ptr是C++中一个非常强大的工具，它可以帮助开发者以更安全、更简洁的方式管理动态内存。同时，它也有一些潜在的问题和限制在使用的过程中需要注意，以确保能够正确的使用它。

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