C++11 shared_ptr 与 make_shared源码剖析详解

C++11中的shared_ptr和make_shared是两个非常实用的特性，能够帮助我们更好地管理内存。本文将深入介绍shared_ptr和make_shared的实现原理，帮助读者更好地掌握这两个特性。

1. shared_ptr简介

shared_ptr是C++11提供的一种智能指针，用于管理动态内存。它可以自动对内存进行引用计数，并在引用计数为0时自动释放内存。shared_ptr使用起来非常方便，并且可以避免内存泄漏。

shared_ptr可以像原生指针一样进行赋值、比较和解引用，但它会自动进行引用计数。因此，多个shared_ptr对象可以指向同一个内存块，同时对它进行引用计数，当引用计数为0时自动释放内存。

2. make_shared简介

make_shared是C++11提供的一种智能指针构造函数，它可以更快速、更安全地构造shared_ptr对象。make_shared会在内存中分配一个新的对象，并且将这个对象封装在一个shared_ptr内部。这个新的对象会自动被初始化为默认值（或者按照提供的参数进行初始化）。

使用make_shared可以节省内存、提高效率，并且可以避免内存泄漏。

3. shared_ptr的实现原理

shared_ptr的实现原理比较复杂，主要包括内存管理、引用计数等。下面我们来详细介绍一下。

3.1 内存管理

当我们使用shared_ptr来管理一个指针时，它会在堆上分配一块内存来存储引用计数、指针等信息。同时，它也会在堆上分配一块内存来存储我们需要管理的对象。这两块内存会被绑定在一起，组成一个shared_ptr对象。

在这个过程中，我们需要注意内存泄露的问题。如果我们将一个原生指针赋值给一个shared_ptr对象时，这个原生指针所指向的内存块就不再由我们手动管理了。如果我们在后面的代码中使用这个原生指针，就有可能出现内存泄漏的情况。

3.2 引用计数

当我们使用shared_ptr来管理一个对象时，每个shared_ptr对象都会包含一个计数器，用于记录当前有多少个shared_ptr对象引用了这个对象。在shared_ptr对象的拷贝构造函数、拷贝赋值运算符、析构函数等操作中，都需要进行引用计数的操作。

当一个新的shared_ptr对象被创建时，它的计数为1。当它被拷贝构造时，它的计数会加1；当它被拷贝赋值时，它的计数会减1（可能会降至0，此时需要释放内存）；当它被销毁时，它的计数会减1（可能会降至0，此时需要释放内存）。

3.3 循环引用问题

当两个shared_ptr对象相互引用时，就会出现循环引用的问题。这种情况下，两个shared_ptr对象的计数都不会降至0，因此它们所指向的内存块永远不会被释放。这就会导致内存泄漏的问题。

为了解决循环引用的问题，我们可以使用weak_ptr。weak_ptr也是一种智能指针，但它不会对对象进行引用计数。也就是说，当我们使用weak_ptr来引用对象时，它不会增加对象的引用计数。因此，当一个对象被多个shared_ptr对象引用时，我们可以使用weak_ptr来解决循环引用的问题。

4. make_shared的实现原理

make_shared的实现原理比shared_ptr更加复杂，但它也更加高效。下面我们来介绍一下make_shared的实现原理。

4.1 内存管理

make_shared会在内存中分配一个新的对象，并且将这个对象封装在一个shared_ptr内部。这个新的对象会自动被初始化为默认值（或者按照提供的参数进行初始化）。

为了实现这个功能，make_shared需要使用到C++11的可变参数模板。它可以将任意多个参数转化为一个变长的参数列表，然后将这个参数列表传递给一个模板类。

4.2 内存分配

在make_shared的实现中，我们需要进行内存分配并进行初始化操作。为了提高效率，我们可以将内存分配和初始化操作合并在一起，使用一个malloc函数来完成它们。

malloc函数是C++标准库中的一个函数，用于在堆上分配一块内存。使用malloc函数可以避免内存泄漏的问题，同时也可以提高效率。

4.3 构造shared_ptr对象

在make_shared的实现中，我们需要构造一个shared_ptr对象，并将它指向新分配的对象。这个过程涉及到shared_ptr的构造函数和虚函数表等内容。

当我们使用shared_ptr来管理一个对象时，它会在堆上分配一块内存来存储引用计数、指针等信息。同时，它也会在堆上分配一块内存来存储我们需要管理的对象。这两块内存会被绑定在一起，组成一个shared_ptr对象。

在make_shared的实现中，我们需要使用一个新分配的对象来替换旧的shared_ptr对象。为了完成这个操作，我们需要使用到C++11中的emplace函数。这个函数可以将一个元素加入到容器中，并用元素的构造函数进行初始化操作。

5. 示例说明

下面我们来介绍两个使用shared_ptr和make_shared的示例。这些示例可以帮助你更好地理解这两个特性。

5.1 shared_ptr示例

#include <memory>
#include <iostream>

class Foo {
public:
    void bar() { std::cout << "Hello, world!" << std::endl; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Foo> p1(new Foo);
    std::shared_ptr<Foo> p2 = p1;

    std::cout << p1.use_count() << std::endl;  // 输出2
    std::cout << p2.use_count() << std::endl;  // 输出2

    p1->bar();  // 输出Hello, world!
    p2->bar();  // 输出Hello, world!

    return 0;
}

在这个示例中，我们使用了shared_ptr来管理一个对象。我们创建了两个shared_ptr对象p1和p2，它们都指向同一个对象。当p1和p2被销毁时，它们会自动释放对内存的引用。

5.2 make_shared示例

#include <memory>
#include <iostream>

class Foo {
public:
    Foo() { std::cout << "Foo()" << std::endl; }
    Foo(int i) { std::cout << "Foo(" << i << ")" << std::endl; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Foo> p1(new Foo);
    std::shared_ptr<Foo> p2 = std::make_shared<Foo>();

    std::shared_ptr<Foo> p3 = std::make_shared<Foo>(42);

    return 0;
}

在这个示例中，我们使用了make_shared来构造一个对象。我们创建了三个shared_ptr对象p1、p2和p3，并使用了不同的方式来构造它们。当p1、p2和p3被销毁时，它们会自动释放对内存的引用。其中，p2和p3的构造方式更加高效。