为什么 std::shared_ptr<void> 工作

Question

我发现一些代码使用 std::shared_ptr 在关机时执行任意清理。起初我认为这段代码不可能工作，但后来我尝试了以下方法：

#include <memory>
#include <iostream>
#include <vector>

class test {
public:
  test() {
    std::cout << "Test created" << std::endl;
  }
  ~test() {
    std::cout << "Test destroyed" << std::endl;
  }
};

int main() {
  std::cout << "At begin of main.\ncreating std::vector<std::shared_ptr<void>>" 
            << std::endl;
  std::vector<std::shared_ptr<void>> v;
  {
    std::cout << "Creating test" << std::endl;
    v.push_back( std::shared_ptr<test>( new test() ) );
    std::cout << "Leaving scope" << std::endl;
  }
  std::cout << "Leaving main" << std::endl;
  return 0;
}

这个程序给出了输出：

At begin of main.
creating std::vector<std::shared_ptr<void>>
Creating test
Test created
Leaving scope
Leaving main
Test destroyed

我对为什么这可能有效有一些想法，这与为 G++ 实现的 std::shared_ptrs 的内部结构有关。由于这些对象将内部指针与计数器包装在一起，因此从std::shared_ptr<test> 到std::shared_ptr<void> 的强制转换可能不会妨碍析构函数的调用。这个假设正确吗？

当然还有更重要的问题：这是否保证符合标准，或者可能进一步更改 std::shared_ptr 的内部结构，其他实现实际上会破坏此代码？

Answer 1

诀窍是std::shared_ptr 执行类型擦除。基本上，当创建一个新的shared_ptr 时，它将在内部存储一个deleter 函数（可以作为构造函数的参数，但如果不存在则默认调用delete）。当 shared_ptr 被销毁时，它会调用存储的函数，然后调用 deleter。

可以在此处看到使用 std::function 进行的类型擦除的简单草图，并避免所有引用计数和其他问题：

template <typename T>
void delete_deleter( void * p ) {
   delete static_cast<T*>(p);
}

template <typename T>
class my_unique_ptr {
  std::function< void (void*) > deleter;
  T * p;
  template <typename U>
  my_unique_ptr( U * p, std::function< void(void*) > deleter = &delete_deleter<U> ) 
     : p(p), deleter(deleter) 
  {}
  ~my_unique_ptr() {
     deleter( p );   
  }
};

int main() {
   my_unique_ptr<void> p( new double ); // deleter == &delete_deleter<double>
}
// ~my_unique_ptr calls delete_deleter<double>(p)

当从另一个shared_ptr 复制（或默认构造）时，删除器会被传递，因此当您从shared_ptr<U> 构造shared_ptr<T> 时，有关要调用的析构函数的信息也会在deleter.

Answer 2

shared_ptr<T>logically[*] 有（至少）两个相关数据成员：

• 指向被管理对象的指针
• 指向将用于销毁它的删除函数的指针。

你的shared_ptr<Test> 的删除函数，考虑到你构造它的方式，是Test 的普通函数，它将指针转换为Test* 和deletes。

当您将shared_ptr<Test> 推入shared_ptr<void> 的向量中时，两个都会被复制，尽管第一个会被转换为void*。

因此，当向量元素被销毁时，它使用最后一个引用，它会将指针传递给正确销毁它的删除器。

实际上比这要复杂一点，因为shared_ptr 可以带一个删除器functor 而不仅仅是一个函数，所以甚至可能存储每个对象的数据而不仅仅是一个函数指针。但是对于这种情况，没有这样的额外数据，只需存储指向模板函数实例化的指针就足够了，模板参数捕获必须删除指针的类型。

[*] 在逻辑上它可以访问它们 - 它们可能不是 shared_ptr 本身的成员，而是它指向的某个管理节点。

Answer 3

之所以有效，是因为它使用了类型擦除。

基本上，当您构建shared_ptr 时，它会传递一个额外的参数（如果您愿意，您可以实际提供），即删除函子。

此默认函子接受指向您在shared_ptr 中使用的类型的指针作为参数，因此在此处为void，将其适当地转换为您在此处使用test 的静态类型，并在此对象上调用析构函数。

任何足够先进的科学都感觉像是魔法，不是吗？

Answer 4

构造函数shared_ptr<T>(Y *p) 确实似乎在调用shared_ptr<T>(Y *p, D d)，其中d 是自动生成的对象删除器。

当发生这种情况时，对象Y 的类型是已知的，因此此shared_ptr 对象的删除器知道要调用哪个析构函数，并且当指针存储在shared_ptr<void> 的向量中时，此信息不会丢失.

确实，规范要求接收shared_ptr<T> 对象接受shared_ptr<U> 对象必须是真的，并且U* 必须隐式转换为T*，T=void 肯定是这种情况因为任何指针都可以隐式转换为void*。没有任何关于删除器无效的说明，因此规范确实要求这将正常工作。

从技术上讲，IIRC shared_ptr<T> 持有一个指向隐藏对象的指针，该隐藏对象包含引用计数器和指向实际对象的指针；通过将删除器存储在这个隐藏结构中，可以使这个看似神奇的功能发挥作用，同时仍然保持shared_ptr<T> 与常规指针一样大（但是取消引用指针需要双重间接

shared_ptr -> hidden_refcounted_object -> real_object

Answer 5

Test* 可以隐式转换为void*，因此shared_ptr<Test> 可以从内存中隐式转换为shared_ptr<void>。这是有效的，因为shared_ptr 旨在控制运行时的销毁，而不是编译时，它们将在内部使用继承来调用适当的析构函数，就像在分配时一样。

Answer 6

我将使用用户能够理解的非常简单的 shared_ptr 实现来回答这个问题（2 年后）。

首先我要学习几个副类，shared_ptr_base、sp_counted_base sp_counted_impl 和checked_deleter，其中最后一个是模板。

class sp_counted_base
{
 public:
    sp_counted_base() : refCount( 1 )
    {
    }

    virtual ~sp_deleter_base() {};
    virtual void destruct() = 0;

    void incref(); // increases reference count
    void decref(); // decreases refCount atomically and calls destruct if it hits zero

 private:
    long refCount; // in a real implementation use an atomic int
};

template< typename T > class sp_counted_impl : public sp_counted_base
{
 public:
   typedef function< void( T* ) > func_type;
    void destruct() 
    { 
       func(ptr); // or is it (*func)(ptr); ?
       delete this; // self-destructs after destroying its pointer
    }
   template< typename F >
   sp_counted_impl( T* t, F f ) :
       ptr( t ), func( f )

 private:

   T* ptr; 
   func_type func;
};

template< typename T > struct checked_deleter
{
  public:
    template< typename T > operator()( T* t )
    {
       size_t z = sizeof( T );
       delete t;
   }
};

class shared_ptr_base
{
private:
     sp_counted_base * counter;

protected:
     shared_ptr_base() : counter( 0 ) {}

     explicit shared_ptr_base( sp_counter_base * c ) : counter( c ) {}

     ~shared_ptr_base()
     {
        if( counter )
          counter->decref();
     }

     shared_ptr_base( shared_ptr_base const& other )
         : counter( other.counter )
     {
        if( counter )
            counter->addref();
     }

     shared_ptr_base& operator=( shared_ptr_base& const other )
     {
         shared_ptr_base temp( other );
         std::swap( counter, temp.counter );
     }

     // other methods such as reset
};

现在我将创建两个名为 make_sp_counted_impl 的“免费”函数，它将返回一个指向新创建的指针。

template< typename T, typename F >
sp_counted_impl<T> * make_sp_counted_impl( T* ptr, F func )
{
    try
    {
       return new sp_counted_impl( ptr, func );
    }
    catch( ... ) // in case the new above fails
    {
        func( ptr ); // we have to clean up the pointer now and rethrow
        throw;
    }
}

template< typename T > 
sp_counted_impl<T> * make_sp_counted_impl( T* ptr )
{
     return make_sp_counted_impl( ptr, checked_deleter<T>() );
}

好的，这两个函数对于通过模板函数创建 shared_ptr 时接下来会发生什么至关重要。

template< typename T >
class shared_ptr : public shared_ptr_base
{

 public:
   template < typename U >
   explicit shared_ptr( U * ptr ) :
         shared_ptr_base( make_sp_counted_impl( ptr ) )
   {
   }

  // implement the rest of shared_ptr, e.g. operator*, operator->
};

如果 T 为 void 并且 U 是您的“测试”类，请注意上面会发生什么。它将使用指向 U 的指针而不是指向 T 的指针调用 make_sp_counted_impl()。销毁的管理都通过这里完成。 shared_ptr_base 类管理有关复制和赋值等的引用计数。shared_ptr 类本身管理运算符重载（->、* 等）的类型安全使用。

因此，尽管您有一个要 void 的 shared_ptr，但在下面您正在管理一个您传递给 new 的类型的指针。请注意，如果您在将指针放入 shared_ptr 之前将其转换为 void*，它将无法在 checked_delete 上编译，因此您实际上也很安全。