何时/如何使用 std::enable_shared_from_this<T>？

要点回顾

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• 继承自 std::enable_shared_from_this<T> 的类能够在其自身实例中通过 std::shared_from_this 方法创建一个指向自己的 std::shared_ptr<T> 智能指针。
• 从一个裸指针创建多个 std::shared_ptr<T> 实例会造成严重的后果，其行为是未定义的。
• std::enable_shared_from_this<T> 实际包含了一个用于指向对象自身的 std::weak_ptr<T> 指针。

引言

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本文介绍 std::enable_shared_from_this 及 std::shared_from_this 的基本概念和使用方法。

定义 "std::enable_shared_from_this"

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以下内容是 cppreference.com 上关于 std::enable_shared_from_this 的定义和说明：

Defined in header < memory >

template< class T > class enable_shared_from_this; (since C++11)
std::enable_shared_from_this allows an object t that is currently managed by a std::shared_ptr named pt to safely generate additional std::shared_ptr instances pt1 , pt2 , ... that all share ownership of t with pt.

Publicly inheriting from std::enable_shared_from_this<T> provides the type T with a member function shared_from_this. If an object t of type T is managed by a std::shared_ptr<T> named pt , then calling T::shared_from_this will return a new std::shared_ptr<T> that shares ownership of t with pt.

简单来说就是，继承自 std::enable_shared_from_this<T> 的类能够在其自身实例中通过 std::shared_from_this 方法创建一个指向自己的 std::shared_ptr<T> 智能指针。

想要理解 std::enable_shared_from_this<T>，首先得知道为什么需要 std::enable_shared_from_this<T>，请看下文。

使用 "std::enable_shared_from_this "

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为什么需要 std::enable_shared_from_this<T>？ 我们从一个例子讲起，会更容易一些。

假定有一个类 Processor， 它的作用是异步处理数据并且存储到数据库。当 Processor 接收到数据时，它通过一个定制的 Executor 类型来异步处理数据：

class Executor {
public:
 //Executes a task asynchronously
 void
 execute(const std::function<void(void)>& task);
 //....
private:
 /* Contains threads and a task queue */
};

class Processor {
public:
 //...
 //Processes data asynchronously. (implemented later)
 void processData(const std::string& data); 

private:
 //Called in an Executor thread 
 void doProcessAndSave(const std::string& data) {
    //1. Process data
    //2. Save data to DB
 }
 //.. more fields including a DB handle..
 Executor* executor;
};

Client 类包含了一个 std::shared_ptr<Processor> 实例，Processor 从 Client 类接收数据：

class Client {
public:
 void someMethod() {
  //...
  processor->processData("Some Data");
  //..do something else
 }
private:
 std::shared_ptr<Processor> processor;
};

以上示例中，Executor 是一个线程池，用于执行任务队列中的任务。

在 Processor::processData 中，我们需要传递一个（指针）函数（lambda 函数）给 Executor 来执行异步操作。该 lambda 函数调用 Processor::doProcessAndSave 以完成实际的数据处理工作。因此，该 lambda 函数需要捕获一个 Processor 对象的引用/指针。我们可以这样做：

void Processor::processData(const std::string& data) {
 executor->execute([this, data]() { //<--Bad Idea
   //Executes in an Executor thread asynchronously
   //'this' could be invalid here.
   doProcessAndSave(data);
 });
}

然而，因为种种原因，Client 可能会随时重置 std::shared_ptr<Processor>，这可能导致 Processor 的实例被析构。因此，在执行 execute 函数时或者在执行之前，上述代码中捕获的 this 指针随时可能会变为无效指针。

怎么办？

我们可以通过在 lambda 函数中捕获并保留一个指向当前对象本身的 std::shared_ptr<Processor> 实例来防止 Processor 对象被析构。

下图展示了示例代码的交互逻辑：

那么，在 Processor 实例中通过 shared_ptr (this) 创建一个智能指针呢？其行为是未定义的！

std::shared_ptr<T> 允许我们安全地访问和管理对象的生命周期。多个 std::shared_ptr<T> 实例通过一个共享控制块结构（a shared control block structure）来管理对象的生命周期。一个控制块维护了一个引用计数，及其他必要的对象本身的信息。

void good() {
 auto p{new int(10)}; //p is int*
 std::shared_ptr<int> sp1{p}; 
 //Create additional shared_ptr from an existing shared_ptr
 auto sp2{sp1}; //OK. sp2 shares control block with sp1
}

从一个裸指针创建一个 std::shared_ptr<T> 会创建一个新的控制块。从一个裸指针创建多个 std::shared_ptr<T> 实例会造成严重的后果：

void bad() {
 auto p{new int(10)};   
 std::shared_ptr<int> sp1{p};
 std::shared_ptr<int> sp2{p}; //! Undefined Behavior
}

因此，我们需要一个机制能够达到我们的目的(捕获并保留一个指向当前对象本身的 std::shared_ptr<Processor> 实例)。

这就是 std::enable_shared_from_this<T> 存在的意义，以下是修改后的类 Processor 实现:

class Processor : public std::enable_shared_from_this<Processor> {
 //..same as above...
}; 

void Processor::processData(const std::string& data) {
 //shared_from_this() returns a shared_ptr<Processor> 
 //  to this Processor
 executor->execute([self = shared_from_this(), data]() { 
   //Executes in an Executor thread asynchronously
   //'self' is captured shared_ptr<Processor>
   self->doProcessAndSave(data); //OK. 
 });
}

self = shared_from_this() 传递的是一个合法的 std::shared_ptr<Processor> 实例，合法的类 Processor 对象的引用。

深入 "std::enable_shared_from_this " 内部

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std::enable_shared_from_this<T> 的实现类似：

template<class T>
class enable_shared_from_this {
 mutable weak_ptr<T> weak_this;
public:
 shared_ptr<T> shared_from_this() {
  return shared_ptr<T>(weak_this); 
 }
 //const overload
 shared_ptr<const T> shared_from_this() const {
  return shared_ptr<const T>(weak_this); 
 }

 //..more methods and constructors..
 //there is weak_from_this() also since C++17

 template <class U> friend class shared_ptr;
};

enable_shared_from_this 包含了一个 std::weak_ptr<T> 指针，这正是函数 shared_from_this 返回的内容。注意，为什么不是 std::shared_ptr<T>? 因为对象包含自身的计数引用会导致对象永远不被释放，从而发生内存泄漏。上述代码中 weak_this 会在类对象被 std::shared_ptr<T> 引用时赋值，也就是std::shared_ptr<T> 实例的构造函数中赋值，这也是为什么类 enable_shared_from_this 的最后，其被声明成为了 shared_ptr 的友元。

总结

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到此，关于 std::enable_shared_from_this<T> 的介绍就结束了。

引用

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https://en.cppreference.com/w/cpp/memory/enable_shared_from_this
https://www.nextptr.com/tutorial/ta1414193955/enable_shared_from_this-overview-examples-and-internals