条款19：使用 std::shared_ptr 管理共享资源

条款19：使用 std::shared_ptr 管理共享资源

• std::shared_ptr 提供共享所有权的资源管理方式，其背后使用引用计数。
• 在不引入垃圾回收机制的同时，实现了 自动销毁 和 析构时机可预期 的资源管理。
• 是 C++ 中模拟“垃圾回收”的一种方式，但销毁是确定性的。

内部机制与实现细节

引用计数（Reference Counting）

• 每个 std::shared_ptr 增加引用计数，销毁或重新指向时减少。
• 引用计数归零时，自动销毁资源。

控制块（Control Block）

• 控制块存储：
  • 引用计数值（strong/weak）
  • 删除器（可能是 lambda）
  • 分配器（可选）
• 控制块是动态分配的，并不在 shared_ptr 对象内部。
• 大小通常为几个 word，使用虚函数机制确保正确销毁。

性能开销

• 大小：std::shared_ptr = 两个指针大小（资源指针 + 控制块指针）
• 操作成本：
  • 拷贝时原子地修改引用计数（线程安全）
  • 移动操作比拷贝便宜（不改变引用计数）
• 分配成本：控制块动态分配；若使用 std::make_shared 可优化。

删除器与灵活性

• 可自定义删除器（函数指针、lambda）。
• 自定义删除器 不影响 shared_ptr 的类型（比 unique_ptr 更灵活）。
• 删除器数据存在控制块中，不增加 shared_ptr 本体大小。

常见陷阱

多个 shared_ptr 管理同一原始指针

Widget* pw = new Widget;
std::shared_ptr<Widget> sp1(pw);
std::shared_ptr<Widget> sp2(pw); // ⚠️ 错误！控制块重复 -> 重复析构

正确用法：

• 直接用 new 创建对象交给 shared_ptr
• 或使用 std::make_shared

用 this 构造 shared_ptr

• 会创建新的控制块（危险）
• 解决办法：继承 std::enable_shared_from_this<T>

class Widget : public std::enable_shared_from_this<Widget> {
    void process() {
        auto sp = shared_from_this(); // 安全共享当前对象
    }
};

• 必须保证外部已有 shared_ptr 管理该对象才能调用 shared_from_this()，否则 未定义行为。

  • 当调用 shared_from_this()，它的内部逻辑会去找控制块。

  • 但是只有在对象已经被 shared_ptr 管理（即它是通过 shared_ptr 创建的）时，才会有控制块存在。

  • 否则，shared_from_this() 找不到控制块，就会导致 未定义行为（通常会抛出异常，也可能崩溃）。

  • 错误用法

    class Widget : public std::enable_shared_from_this<Widget> {
    public:
        void showMyself() {
            auto sp = shared_from_this();  // ❌错误！此时没有控制块！
        }
    };
    
    int main() {
        Widget* raw = new Widget; // ❌ 仅用原始指针创建对象
        raw->showMyself();        // ❌ 调用 shared_from_this() 是未定义行为！
    }
    

  • 正确用法

    int main() {
        std::shared_ptr<Widget> sp = std::make_shared<Widget>(); // ✅ shared_ptr 创建对象
        sp->showMyself();  // ✅ 现在调用 shared_from_this() 就是安全的
    }
    

  • 通常做法：把构造函数设为 private，强制别人用 shared_ptr 创建

    class Widget : public std::enable_shared_from_this<Widget> {
    public:
        static std::shared_ptr<Widget> create() {
            return std::shared_ptr<Widget>(new Widget()); // ✅ 确保一开始就用 shared_ptr 创建
        }
    
        void showMyself() {
            auto sp = shared_from_this(); // ✅ 安全
        }
    
    private:
        Widget() = default;
    };
    

实用建议与最佳实践

推荐用法：

• 使用 std::make_shared<T>(...) 创建 shared_ptr，避免单独分配控制块和对象。
• 如果需要自定义删除器，使用构造函数传入：

auto del = [](T* p) { delete p; };
std::shared_ptr<T> sp(new T, del);

避免：

• 从裸指针变量创建 shared_ptr
• 使用 shared_ptr 管理 C 风格数组（应使用 std::vector、std::array 等）

总结

• std::shared_ptr 用于 共享所有权资源 的自动生命周期管理。
• 相较于 std::unique_ptr，它引入了控制块和原子操作，性能稍逊但功能更强。
• 避免从 裸指针 和 this 创建 shared_ptr，否则容易造成 双重析构和未定义行为。
• std::make_shared 是首选方式，既安全又高效。
• 如果能使用 unique_ptr，尽量不要用 shared_ptr（性能更好、逻辑更清晰）。