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Smart Pointer Discussion

关于 make_shared

只有两种情况，我们不能使用 make_shared。

  1. 如果我们要设置特殊的删除器（deleter），make_shared 不支持定制删除器。

  2. 如果我们已经有了原始指针，通常是继承自 unique_ptr，你就可以直接使用 shared_ptr 的构造函数。

其他所有情况，都建议使用 make_shared，这因为 make_shared 通常更安全高效且简洁可读。简洁可读不必多说。安全高效从何而来？

高效

首先我们要知道，shared_ptr 由两部分组成：原始指针和控制块。

// 编译器 gcc 11.4.0 下的源码
element_type*      _M_ptr;         // Contained pointer.
__shared_count<_Lp>  _M_refcount;    // Reference counter.

控制块中是引用计数和弱引用计数

_Atomic_word  _M_use_count;     // #shared
_Atomic_word  _M_weak_count;    // #weak + (#shared != 0)

弱引用计数是给 weak_ptr 用的，因为 weak_ptr 要知道原始指针是否释放，所以在所有 weak_ptr 都释放前，控制块不能释放。

知道 shared_ptr 后，我们来看 make_shared 和 普通构造的区别。普通构造通常要进行两次内存分配（allocate）。

std::shared_ptr<Obj> sp1{ new Obj };

创建对象一次，创建控制块一次。并且两块地址可能在物理内存上相隔很远：

Image title

使用元素时通常也会用到引用计数，所以如果物理内存相隔比较远，导致不在一个缓存行上，可能会导致多一次的访存。而使用 make_shared 通常是更高效的，因为 make_shared 内部会一次为我们创建好 原始指针 和 控制块，二者的空间是连续的：

Image title

但这也会导致原始指针释放的延迟，因为我们不能释放部分的内存，所以只能等所有的 weak_ptr 也都释放后，才能释放整个内存块。

安全

这里的安全主要指的是异常安全，考虑以下述例子：

void F(const std::shared_ptr<Lhs> &lhs, const std::shared_ptr<Rhs> &rhs) { /* ... */ }

F(std::shared_ptr<Lhs>(new Lhs("foo")),
  std::shared_ptr<Rhs>(new Rhs("bar")));

由于 C++ 允许对子表达式进行任意顺序的求值，因此一种可能的顺序是：

  1. new Lhs("foo")
  2. new Rhs("bar")
  3. std::shared_ptr<Lhs>
  4. std::shared_ptr<Rhs>

当 new Rhs("bar") 出现异常时，会打断后续 std::shared_ptr 的构造，这样会导致 new Lhs("foo") 还未交给std::shared_ptr<Lhs> 管理，就被跳过了，最终导致内存泄漏。

而 std::make_shared 就不会有这样的问题：

F(std::make_shared<Lhs>("foo"), std::make_shared<Rhs>("bar"));

但自 C++17 以后， std::shared_ptr 构造不再会出现这样的问题了，因为 C++17 以后要求，函数的每个参数的表达式必须完整执行完，才可以执行其他参数的表达式。但是这里还是要说，不要显示的调用 new!!!不要显示的调用 new!!!不要显示的调用 new!!!

在构造 unique_ptr 时，C++ 标准库提供了 make_unique，与 make_shared 类似的，只有上述两种情况不能使用 make_unique。

make_unique 不用考虑内存分配次数的问题，因为没有控制块的存在。但是要考虑异常安全，所以这里依然建议使用 make_unique。

shared_ptr 还是 unique_ptr?

当你不知道要使用 shared_ptr 还是 unique_ptr 时，建议先使用 unique_ptr，原因如下：

  • 更灵活，无论何时，你发现 unique_ptr 不能满足你的需求时，你看使用 std::move 或 .release()，来获得原始指针，去构造一个 shared_ptr 或是第三方的智能指针，甚至手动维护这个原始指针（当然这并不推荐）。

  • 更高效，unique_ptr 实现是比 shared_ptr 更简单的，不用维护控制块，相应的消耗就少。

参考：

智能指针 Made By CYB

GotW #89 Solution: Smart Pointers

Difference in make_shared and normal shared_ptr in C++