weak_ptr 持有哪些变量？

Question

我了解哪些方法可用以及它们是什么。请描述weak_ptr 类的私有部分或给出一些自定义weak_ptr 代码的示例。我无法通过 std::weak_ptr 实现来理解。

Answer 1

非侵入式共享指针实现通常包含指向某个动态分配的“状态”的指针，它计算对原始对象的引用数。

当一个共享指针被拷贝时，拷贝得到同一个指向同一个“状态”的指针，“状态”内的计数递增表示现在有两个共享指针共享资源。

当共享指针被销毁时，它递减计数器以指示现在共享资源的指针减少了。如果这导致计数器读数为零，则资源被销毁。

弱指针也有一个指向这个“状态”的指针，但它不递增或递减计数器。当被询问时，它将使用相同的状态构造一个共享指针，但前提是计数不为零。如果计数为零，则最后一个共享指针已经破坏了资源，我们无法再访问它。

有趣的是，您还需要这样的逻辑来控制“状态”对象的生命周期。 :) （我想这是使用第二个计数器实现的，shared_ptr 和 weak_ptr 都会增加，但不要引用我的话。）

(your data)         (ref. counters)
     ║                    ║
[resource]             [state]
  ┆  │ │                │ │ │
  ┆  │ └─[shared_ptr]───┘ │ │
  ┆  └───[shared_ptr]─────┘ │
  └┄┄┄┄┄┄┄[weak_ptr]────────┘

当然，任何特定 std::weak_ptr 实现的私有部分的具体外观取决于编写它的人。

顺便说一句，如果您怀疑它指向的资源可能已经由 shared_ptr( s) 其他地方：你会得到第二个不相关的“状态”对象，你的计数器会出错，你的资源可能会过早地被销毁（如果存在这样的概念，肯定会被销毁两次），造成混乱。

Answer 2

为了理解链接的共享-弱对，您必须首先想象一个没有任何“弱引用”功能的纯共享“智能指针”。为了提高效率，想象它是一个侵入性的拥有引用计数指针：计数器是托管对象的一部分。

回到“弱引用”特性的实现：我们需要一个能够检测所指对象是否还活着并（原子地）绑定到它的真实（强）引用的对象。 “仍然活着”的测量需要在始终存在的引用计数上完成（直到它不再需要，当有零引用，强或弱时），所以“弱引用”需要是能够保持那个计数器活着。因此，“弱引用”是对侵入式计数数据结构的拥有（强）引用，该结构保持外部计数数据结构的引用计数，T 类型的托管对象weak_ptr<T>。

当没有更多真实（强）引用（shared_ptr）时，实现必须销毁T 类型的托管对象，因此它必须有一个原子计数器用于此目的。请注意，从技术上讲，它不一定是某种原子整数，但 atomic<int> 恰好是获得这种效果的一种简单方法。操作是：

• 由其他所有者的副本创建所有者（shared_ptr 到 shared_ptr）：以原子方式递增计数
• 所有者销毁和测试：原子递减并测试最后一个所有者（即计数为零）
• 从弱引用创建所有者（weak_ptr 到 shared_ptr）：原子测试计数是否非零，然后增加并指示成功，否则不修改计数并指示失败

所有这些操作都可以在原子变量上进行。它们都涉及原子 RMW（读取修改写入），这通常比简单的读取或写入要昂贵得多。但是，如果该位置在本地 L1d 缓存中可用并且不在 CPU 之间反弹，则成本会更低。

另一个计数是针对侵入式计数的对象：弱引用的计数必须分开，因为即使T 类型的对象已被销毁，它也可以不为零。

对管理数据结构的计数的唯一操作是递增和递减和测试，因为对于稳定的对象，永远无法达到零值：零表示正在销毁的对象。

当然，通常只有一个词可以原子操作，每个计数器通常是一个词，因为在某些情况下半个词可能会溢出，但一个词不能（因为你没有内存来创建 2 ** 31对象，甚至 2 ** 63 对于 64 位机器）；所以对计数器的修改有限制。一个简单的解决方案是，侵入式引用计数不跟踪强所有者的更改，这已经很好地保存在一个计数器中，不需要在另一个计数器中复制。侵入式计数器仅用于对T 的最后一个强引用和对T 的弱引用（此处为weak_ptr），它们也是对管理数据结构的强引用。

所以有两个原子计数器：

• 强引用计数：确定T 何时被销毁（以及它的内存被释放，除非分配与make_shared 一样与管理数据共享时
• （弱引用加上最后一个强引用）计数：表示存在多少引用，所有强引用计为一个

其他变体可能是可能的，如果您放弃线程安全，您可以获得更多创意（您可以想象所有者的链接列表），但这些可能不会更有效。