条款十九：对于共享资源使用std::shared_ptr
Item 19: Use std::shared_ptr for shared-ownership resource management
使用带垃圾回收的语言的程序员指着C++程序员笑看他们如何防止资源泄露。“真是原始啊！”他们嘲笑着说：“你们没有从1960年的Lisp那里得到启发吗，机器应该自己管理资源的生命周期而不应该依赖人类。”C++程序员翻白眼：“你们得到的所谓启示就是只有内存算资源，而且资源回收的时间点是不确定的？我们更喜欢通用，可预料的销毁，谢谢你。”但我们的虚张声势可能底气不足。因为垃圾回收真的很方便，而且手动管理生命周期真的就像是使用石头小刀和兽皮制作RAM电路。为什么我们不能同时有两个完美的世界：一个自动工作的世界（像是垃圾回收），一个销毁可预测的世界（像是析构）？
C++11中的std::shared_ptr将两者组合了起来。一个通过std::shared_ptr访问的对象其生命周期由指向它的有共享所有权（shared ownership）的指针们来管理。没有特定的std::shared_ptr拥有该对象。相反，所有指向它的std::shared_ptr都能相互合作确保在它不再使用的那个点进行析构。当最后一个指向某对象的std::shared_ptr不再指向那（比如因为std::shared_ptr被销毁或者指向另一个不同的对象），std::shared_ptr会销毁它所指向的对象。就垃圾回收来说，客户端不需要关心指向对象的生命周期，而对象的析构是确定性的。
std::shared_ptr通过引用计数（reference count）来确保它是否是最后一个指向某种资源的指针，引用计数关联资源并跟踪有多少std::shared_ptr指向该资源。std::shared_ptr构造函数递增引用计数值（注意是通常——原因参见下面），析构函数递减值，拷贝赋值运算符做前面这两个工作。（如果sp1和sp2是std::shared_ptr并且指向不同对象，赋值“sp1 = sp2;”会使sp1指向sp2指向的对象。直接效果就是sp1引用计数减一，sp2引用计数加一。）如果std::shared_ptr在计数值递减后发现引用计数值为零，没有其他std::shared_ptr指向该资源，它就会销毁资源。
引用计数暗示着性能问题：
std::shared_ptr大小是原始指针的两倍，因为它内部包含一个指向资源的原始指针，还包含一个指向资源的引用计数值的原始指针。（这种实现法并不是标准要求的，但是我（指原书作者Scott Meyers）熟悉的所有标准库都这样实现。）- 引用计数的内存必须动态分配。 概念上，引用计数与所指对象关联起来，但是实际上被指向的对象不知道这件事情（译注：不知道有一个关联到自己的计数值）。因此它们没有办法存放一个引用计数值。（一个好消息是任何对象——甚至是内置类型的——都可以由
std::shared_ptr管理。）Item21会解释使用std::make_shared创建std::shared_ptr可以避免引用计数的动态分配，但是还存在一些std::make_shared不能使用的场景，这时候引用计数就会动态分配。 - 递增递减引用计数必须是原子性的，因为多个reader、writer可能在不同的线程。比如，指向某种资源的
std::shared_ptr可能在一个线程执行析构（于是递减指向的对象的引用计数），在另一个不同的线程，std::shared_ptr指向相同的对象，但是执行的却是拷贝操作（因此递增了同一个引用计数）。原子操作通常比非原子操作要慢，所以即使引用计数通常只有一个word大小，你也应该假定读写它们是存在开销的。
我写道std::shared_ptr构造函数只是“通常”递增指向对象的引用计数会不会让你有点好奇？创建一个指向对象的std::shared_ptr就产生了又一个指向那个对象的std::shared_ptr，为什么我没说总是增加引用计数值？
原因是移动构造函数的存在。从另一个std::shared_ptr移动构造新std::shared_ptr会将原来的std::shared_ptr设置为null，那意味着老的std::shared_ptr不再指向资源，同时新的std::shared_ptr指向资源。这样的结果就是不需要修改引用计数值。因此移动std::shared_ptr会比拷贝它要快：拷贝要求递增引用计数值，移动不需要。移动赋值运算符同理，所以移动构造比拷贝构造快，移动赋值运算符也比拷贝赋值运算符快。
类似std::unique_ptr（参见Item18），std::shared_ptr使用delete作为资源的默认销毁机制，但是它也支持自定义的删除器。这种支持有别于std::unique_ptr。对于std::unique_ptr来说，删除器类型是智能指针类型的一部分。对于std::shared_ptr则不是：
auto loggingDel = [](Widget *pw) //自定义删除器
{ //（和条款18一样）
makeLogEntry(pw);
delete pw;
};
std::unique_ptr< //删除器类型是
Widget, decltype(loggingDel) //指针类型的一部分
> upw(new Widget, loggingDel);
std::shared_ptr<Widget> //删除器类型不是
spw(new Widget, loggingDel); //指针类型的一部分
std::shared_ptr的设计更为灵活。考虑有两个std::shared_ptr<Widget>，每个自带不同的删除器（比如通过lambda表达式自定义删除器）：
auto customDeleter1 = [](Widget *pw) { … }; //自定义删除器，
auto customDeleter2 = [](Widget *pw) { … }; //每种类型不同
std::shared_ptr<Widget> pw1(new Widget, customDeleter1);
std::shared_ptr<Widget> pw2(new Widget, customDeleter2);
因为pw1和pw2有相同的类型，所以它们都可以放到存放那个类型的对象的容器中：
std::vector<std::shared_ptr<Widget>> vpw{ pw1, pw2 };
它们也能相互赋值，也可以传入一个形参为std::shared_ptr<Widget>的函数。但是自定义删除器类型不同的std::unique_ptr就不行，因为std::unique_ptr把删除器视作类型的一部分。
另一个不同于std::unique_ptr的地方是，指定自定义删除器不会改变std::shared_ptr对象的大小。不管删除器是什么，一个std::shared_ptr对象都是两个指针大小。这是个好消息，但是它应该让你隐隐约约不安。自定义删除器可以是函数对象，函数对象可以包含任意多的数据。它意味着函数对象是任意大的。std::shared_ptr怎么能引用一个任意大的删除器而不使用更多的内存？
它不能。它必须使用更多的内存。然而，那部分内存不是std::shared_ptr对象的一部分。那部分在堆上面，或者std::shared_ptr创建者利用std::shared_ptr对自定义分配器的支持能力，那部分内存随便在哪都行。我前面提到了std::shared_ptr对象包含了所指对象的引用计数的指针。没错，但是有点误导人。因为引用计数是另一个更大的数据结构的一部分，那个数据结构通常叫做控制块（control block）。每个std::shared_ptr管理的对象都有个相应的控制块。控制块除了包含引用计数值外还有一个自定义删除器的拷贝，当然前提是存在自定义删除器。如果用户还指定了自定义分配器，控制块也会包含一个分配器的拷贝。控制块可能还包含一些额外的数据，正如Item21提到的，一个次级引用计数weak count，但是目前我们先忽略它。我们可以想象std::shared_ptr对象在内存中是这样：
当指向对象的std::shared_ptr一创建，对象的控制块就建立了。至少我们期望是如此。通常，对于一个创建指向对象的std::shared_ptr的函数来说不可能知道是否有其他std::shared_ptr早已指向那个对象，所以控制块的创建会遵循下面几条规则：
std::make_shared（参见Item21）总是创建一个控制块。它创建一个要指向的新对象，所以可以肯定std::make_shared调用时对象不存在其他控制块。- 当从独占指针（即
std::unique_ptr或者std::auto_ptr）上构造出std::shared_ptr时会创建控制块。独占指针没有使用控制块，所以指针指向的对象没有关联控制块。（作为构造的一部分，std::shared_ptr侵占独占指针所指向的对象的独占权，所以独占指针被设置为null） - 当从原始指针上构造出
std::shared_ptr时会创建控制块。如果你想从一个早已存在控制块的对象上创建std::shared_ptr，你将假定传递一个std::shared_ptr或者std::weak_ptr（参见Item20）作为构造函数实参，而不是原始指针。用std::shared_ptr或者std::weak_ptr作为构造函数实参创建std::shared_ptr不会创建新控制块，因为它可以依赖传递来的智能指针指向控制块。
这些规则造成的后果就是从原始指针上构造超过一个std::shared_ptr就会让你走上未定义行为的快车道，因为指向的对象有多个控制块关联。多个控制块意味着多个引用计数值，多个引用计数值意味着对象将会被销毁多次（每个引用计数一次）。那意味着像下面的代码是有问题的，很有问题，问题很大：
auto pw = new Widget; //pw是原始指针
…
std::shared_ptr<Widget> spw1(pw, loggingDel); //为*pw创建控制块
…
std::shared_ptr<Widget> spw2(pw, loggingDel); //为*pw创建第二个控制块
创建原始指针pw指向动态分配的对象很糟糕，因为它完全背离了这章的建议：倾向于使用智能指针而不是原始指针。（如果你忘记了该建议的动机，请翻到本章开头）。撇开那个不说，创建pw那一行代码虽然让人厌恶，但是至少不会造成未定义程序行为。
现在，传给spw1的构造函数一个原始指针，它会为指向的对象创建一个控制块（因此有个引用计数值）。这种情况下，指向的对象是*pw（即pw指向的对象）。就其本身而言没什么问题，但是将同样的原始指针传递给spw2的构造函数会再次为*pw创建一个控制块（所以也有个引用计数值）。因此*pw有两个引用计数值，每一个最后都会变成零，然后最终导致*pw销毁两次。第二个销毁会产生未定义行为。
std::shared_ptr给我们上了两堂课。第一，避免传给std::shared_ptr构造函数原始指针。通常替代方案是使用std::make_shared（参见Item21），不过上面例子中，我们使用了自定义删除器，用std::make_shared就没办法做到。第二，如果你必须传给std::shared_ptr构造函数原始指针，直接传new出来的结果，不要传指针变量。如果上面代码第一部分这样重写：
std::shared_ptr<Widget> spw1(new Widget, //直接使用new的结果
loggingDel);
会少了很多从原始指针上构造第二个std::shared_ptr的诱惑。相应的，创建spw2也会很自然的用spw1作为初始化参数（即用std::shared_ptr拷贝构造函数），那就没什么问题了：
std::shared_ptr<Widget> spw2(spw1); //spw2使用spw1一样的控制块
一个尤其令人意外的地方是使用this指针作为std::shared_ptr构造函数实参的时候可能导致创建多个控制块。假设我们的程序使用std::shared_ptr管理Widget对象，我们有一个数据结构用于跟踪已经处理过的Widget对象：
std::vector<std::shared_ptr<Widget>> processedWidgets;
继续，假设Widget有一个用于处理的成员函数：
class Widget {
public:
…
void process();
…
};
对于Widget::process看起来合理的代码如下：
void Widget::process()
{
… //处理Widget
processedWidgets.emplace_back(this); //然后将它加到已处理过的Widget
} //的列表中，这是错的！
注释已经说了这是错的——或者至少大部分是错的。（错误的部分是传递this，而不是使用了emplace_back。如果你不熟悉emplace_back，参见Item42）。上面的代码可以通过编译，但是向std::shared_ptr的容器传递一个原始指针（this），std::shared_ptr会由此为指向的Widget（*this）创建一个控制块。那看起来没什么问题，直到你意识到如果成员函数外面早已存在指向那个Widget对象的指针，它是未定义行为的Game, Set, and Match（译注：一部关于网球的电影，但是译者没看过。句子本意“压倒性胜利；比赛结束”）。
std::shared_ptrAPI已有处理这种情况的设施。它的名字可能是C++标准库中最奇怪的一个：std::enable_shared_from_this。如果你想创建一个用std::shared_ptr管理的类，这个类能够用this指针安全地创建一个std::shared_ptr，std::enable_shared_from_this就可作为基类的模板类。在我们的例子中，Widget将会继承自std::enable_shared_from_this：
class Widget: public std::enable_shared_from_this<Widget> {
public:
…
void process();
…
};
正如我所说，std::enable_shared_from_this是一个基类模板。它的模板参数总是某个继承自它的类，所以Widget继承自std::enable_shared_from_this<Widget>。如果某类型继承自一个由该类型（译注：作为模板类型参数）进行模板化得到的基类这个东西让你心脏有点遭不住，别去想它就好了。代码完全合法，而且它背后的设计模式也是没问题的，并且这种设计模式还有个标准名字，尽管该名字和std::enable_shared_from_this一样怪异。这个标准名字就是奇异递归模板模式（The Curiously Recurring Template Pattern（CRTP））。如果你想学更多关于它的内容，请搜索引擎一展身手，现在我们要回到std::enable_shared_from_this上。
std::enable_shared_from_this定义了一个成员函数，成员函数会创建指向当前对象的std::shared_ptr却不创建多余控制块。这个成员函数就是shared_from_this，无论在哪当你想在成员函数中使用std::shared_ptr指向this所指对象时都请使用它。这里有个Widget::process的安全实现：
void Widget::process()
{
//和之前一样，处理Widget
…
//把指向当前对象的std::shared_ptr加入processedWidgets
processedWidgets.emplace_back(shared_from_this());
}
从内部来说，shared_from_this查找当前对象控制块，然后创建一个新的std::shared_ptr关联这个控制块。设计的依据是当前对象已经存在一个关联的控制块。要想符合设计依据的情况，必须已经存在一个指向当前对象的std::shared_ptr（比如调用shared_from_this的成员函数外面已经存在一个std::shared_ptr）。如果没有std::shared_ptr指向当前对象（即当前对象没有关联控制块），行为是未定义的，shared_from_this通常抛出一个异常。
要想防止客户端在存在一个指向对象的std::shared_ptr前先调用含有shared_from_this的成员函数，继承自std::enable_shared_from_this的类通常将它们的构造函数声明为private，并且让客户端通过返回std::shared_ptr的工厂函数创建对象。以Widget为例，代码可以是这样：
class Widget: public std::enable_shared_from_this<Widget> {
public:
//完美转发参数给private构造函数的工厂函数
template<typename... Ts>
static std::shared_ptr<Widget> create(Ts&&... params);
…
void process(); //和前面一样
…
private:
… //构造函数
};
现在，你可能隐约记得我们讨论控制块的动机是想了解有关std::shared_ptr的成本。既然我们已经知道了怎么避免创建过多控制块，就让我们回到原来的主题。
控制块通常只占几个word大小，自定义删除器和分配器可能会让它变大一点。通常控制块的实现比你想的更复杂一些。它使用继承，甚至里面还有一个虚函数（用来确保指向的对象被正确销毁）。这意味着使用std::shared_ptr还会招致控制块使用虚函数带来的成本。
了解了动态分配控制块，任意大小的删除器和分配器，虚函数机制，原子性的引用计数修改，你对于std::shared_ptr的热情可能有点消退。可以理解，对每个资源管理问题来说都没有最佳的解决方案。但就它提供的功能来说，std::shared_ptr的开销是非常合理的。在通常情况下，使用默认删除器和默认分配器，使用std::make_shared创建std::shared_ptr，产生的控制块只需三个word大小。它的分配基本上是无开销的。（开销被并入了指向的对象的分配成本里。细节参见Item21）。对std::shared_ptr解引用的开销不会比原始指针高。执行需要原子引用计数修改的操作需要承担一两个原子操作开销，这些操作通常都会一一映射到机器指令上，所以即使对比非原子指令来说，原子指令开销较大，但是它们仍然只是单个指令上的。对于每个被std::shared_ptr指向的对象来说，控制块中的虚函数机制产生的开销通常只需要承受一次，即对象销毁的时候。
作为这些轻微开销的交换，你得到了动态分配的资源的生命周期自动管理的好处。大多数时候，比起手动管理，使用std::shared_ptr管理共享性资源都是非常合适的。如果你还在犹豫是否能承受std::shared_ptr带来的开销，那就再想想你是否需要共享所有权。如果独占资源可行或者可能可行，用std::unique_ptr是一个更好的选择。它的性能表现更接近于原始指针，并且从std::unique_ptr升级到std::shared_ptr也很容易，因为std::shared_ptr可以从std::unique_ptr上创建。
反之不行。当你的资源由std::shared_ptr管理，现在又想修改资源生命周期管理方式是没有办法的。即使引用计数为一，你也不能重新修改资源所有权，改用std::unique_ptr管理它。资源和指向它的std::shared_ptr的签订的所有权协议是“除非死亡否则永不分开”。不能分离，不能废除，没有特许。
std::shared_ptr不能处理的另一个东西是数组。和std::unique_ptr不同的是，std::shared_ptr的API设计之初就是针对单个对象的，没有办法std::shared_ptr<T[]>。一次又一次，“聪明”的程序员踌躇于是否该使用std::shared_ptr<T>指向数组，然后传入自定义删除器来删除数组（即delete []）。这可以通过编译，但是是一个糟糕的主意。一方面，std::shared_ptr没有提供operator[]，所以数组索引操作需要借助怪异的指针算术。另一方面，std::shared_ptr支持转换为指向基类的指针，这对于单个对象来说有效，但是当用于数组类型时相当于在类型系统上开洞。（出于这个原因，std::unique_ptr<T[]> API禁止这种转换。）更重要的是，C++11已经提供了很多内置数组的候选方案（比如std::array，std::vector，std::string）。声明一个指向傻瓜数组的智能指针（译注：也是”聪明的指针“之意）几乎总是表示着糟糕的设计。
请记住：
std::shared_ptr为有共享所有权的任意资源提供一种自动垃圾回收的便捷方式。- 较之于
std::unique_ptr，std::shared_ptr对象通常大两倍，控制块会产生开销，需要原子性的引用计数修改操作。 - 默认资源销毁是通过
delete，但是也支持自定义删除器。删除器的类型是什么对于std::shared_ptr的类型没有影响。 - 避免从原始指针变量上创建
std::shared_ptr。