要理解为什么用 this
指针创建新的 shared_ptr
会导致"两个独立控制块管理同一个对象",关键在于 shared_ptr
如何识别"同一个对象"并共享控制块。
核心原因:shared_ptr
无法通过原始指针识别已有控制块
std::shared_ptr
的控制块(存储引用计数的结构)与 "原始指针"和"shared_ptr
的创建方式" 强绑定,但 对象本身不存储"是否已有控制块"的信息。
具体来说:
- 当你第一次用原始指针(如
new MyClass()
)创建shared_ptr
时(如p1
),shared_ptr
会为这个原始指针 新建一个控制块,并将引用计数初始化为 1。 - 但
shared_ptr
无法知道"这个原始指针是否已经被其他shared_ptr
管理"(因为控制块是独立于对象的外部结构,对象本身不记录控制块的地址)。 - 因此,如果你再用同一个原始指针(如
this
)创建另一个shared_ptr
,新的shared_ptr
会认为"这是一个全新的、未被管理的指针",从而 再新建一个独立的控制块。
代码对比:正常共享 vs 错误共享
我们通过两段代码对比,看为什么"用 this
创建 shared_ptr
会导致独立控制块":
情况1:正确共享(通过拷贝 shared_ptr
)
cpp
#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
~MyClass() {
std::cout << "MyClass 被销毁" << std::endl;
}
};
int main() {
// 1. 第一次创建 shared_ptr,为 new 返回的原始指针创建控制块 A(引用计数=1)
std::shared_ptr<MyClass> p1(new MyClass());
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 1
// 2. 通过拷贝 p1 创建 p2:共享控制块 A(引用计数=2)
std::shared_ptr<MyClass> p2 = p1;
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 2
std::cout << "p2 引用计数: " << p2.use_count() << std::endl; // 输出 2
// 离开作用域时:p2 先销毁(计数=1),p1 再销毁(计数=0 → 销毁对象)
return 0;
}
为什么正确?
p2
是通过拷贝 p1
创建的,p1
会将自己的控制块地址传递给 p2
,因此 p2
直接复用控制块 A,引用计数正确递增。
在上述代码中,p2
可以理解为p1
的浅拷贝 ,但需要结合std::shared_ptr
的特性来具体分析:
1. 浅拷贝的核心特征
浅拷贝的本质是:拷贝操作仅复制指针(或引用)本身,而不复制指针所指向的底层对象。拷贝后,原对象和拷贝对象会指向同一块内存空间,共享同一个底层实例。
2. shared_ptr
的拷贝行为分析
在代码中,p2 = p1
是std::shared_ptr
的拷贝操作,其行为完全符合浅拷贝的特征:
- 未复制底层对象 :
p1
和p2
指向的是同一个MyClass
实例(通过new MyClass()
创建的对象),并未因为p2
的拷贝而创建新的MyClass
对象(从输出结果看,MyClass
的构造函数只执行一次,析构函数也只执行一次,可证明这一点)。 - 共享底层对象 :
p1
和p2
共同管理同一个MyClass
实例,通过引用计数(use_count
)跟踪共享关系。拷贝后引用计数从1增加到2,说明两者指向同一个对象。
3. 与原始指针浅拷贝的区别
需要注意的是,shared_ptr
的浅拷贝与原始指针的浅拷贝效果不同但本质一致:
- 原始指针的浅拷贝可能导致"double free"问题(多个指针释放同一内存)。
shared_ptr
通过引用计数机制避免了这个问题:只有当最后一个shared_ptr
销毁时(引用计数减为0),才会释放底层MyClass
对象。
但无论如何,两者的拷贝行为本质都是"复制指针本身,不复制底层对象",因此p2
对p1
的拷贝属于浅拷贝。
结论
p2
是p1
的浅拷贝。因为p2
拷贝的是shared_ptr
本身(而非其指向的MyClass
对象),拷贝后p1
和p2
指向同一个MyClass
实例,共享该对象的所有权(通过引用计数管理),符合浅拷贝"只复制指针、不复制底层对象"的核心特征。
情况2:错误共享(通过 this
指针创建 shared_ptr
)
cpp
#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
// 用 this 指针创建新的 shared_ptr
std::shared_ptr<MyClass> get_self() {
return std::shared_ptr<MyClass>(this); // this 是原始指针
}
~MyClass() {
std::cout << "MyClass 被销毁" << std::endl;
}
};
int main() {
// 1. p1 为原始指针(new 返回)创建控制块 A(计数=1)
std::shared_ptr<MyClass> p1(new MyClass());
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 1
// 2. p2 通过 this 指针创建:this 与 p1 指向同一个对象,但 p2 不知道控制块 A 的存在
// 因此 p2 会为 this 指针新建控制块 B(计数=1)
std::shared_ptr<MyClass> p2 = p1->get_self();
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 1(仍用控制块 A)
std::cout << "p2 引用计数: " << p2.use_count() << std::endl; // 输出 1(用控制块 B)
// 离开作用域时:
// p1 销毁 → 控制块 A 计数=0 → 销毁对象
// p2 销毁 → 控制块 B 计数=0 → 再次销毁已被释放的对象(二次释放,未定义行为)
return 0;
}
为什么错误?
p2
是通过 this
指针(原始指针)创建的,它无法知道 this
已经被 p1
的控制块 A 管理(因为对象本身不存储控制块信息)。因此 p2
会新建控制块 B,导致两个控制块同时管理同一个对象。
关键结论
shared_ptr
的控制块是 "跟着创建方式走" 的:通过已有shared_ptr
拷贝时,共享控制块;通过原始指针(如this
)创建时,新建控制块。- 对象本身 不包含任何与控制块相关的信息 ,因此
shared_ptr
无法通过原始指针判断"这个对象是否已经被其他shared_ptr
管理"。 std::enable_shared_from_this
的作用就是让对象内部能"记住"已有的控制块(通过内部的weak_ptr
),从而通过shared_from_this()
创建的shared_ptr
能共享已有控制块,避免重复创建。
要理解 std::enable_shared_from_this
的作用,我们需要先明确 std::shared_ptr
的核心工作机制,再分析直接使用 this
指针创建 shared_ptr
会导致的问题,最后看 std::enable_shared_from_this
如何解决这些问题。
1. std::shared_ptr
的核心机制:控制块与引用计数
std::shared_ptr
是 C++ 中用于管理动态内存的智能指针,其核心功能依赖两个关键组件:
- 被管理的对象 :即我们通过
new
分配的内存(如new MyClass()
)。 - 控制块(control block) :一个独立的辅助结构,内部存储:
- 引用计数(
use_count
):记录当前有多少个shared_ptr
指向同一个对象。 - 弱引用计数(
weak_count
):记录当前有多少个weak_ptr
指向同一个对象。 - 其他辅助信息(如对象的销毁器
deleter
等)。
- 引用计数(
当我们创建第一个 shared_ptr
时(如 std::shared_ptr<MyClass> p(new MyClass())
),会同时创建一个控制块,此时引用计数为 1
。
当我们通过拷贝构造或赋值操作创建新的 shared_ptr
时(如 auto p2 = p
),新的 shared_ptr
会共享同一个控制块 ,并将引用计数递增(此时 use_count
变为 2
)。
当某个 shared_ptr
被销毁(如离开作用域)时,会将控制块的引用计数递减;当引用计数减为 0
时,控制块会负责销毁被管理的对象(调用 delete
),并释放自身内存。
2. 直接用 this
指针创建 shared_ptr
的问题
假设我们有一个类 MyClass
,其内部有一个成员函数需要返回指向自身的 shared_ptr
。如果直接通过 this
指针创建 shared_ptr
(如 return std::shared_ptr<MyClass>(this)
),会导致多个独立的控制块,进而引发未定义行为。
问题代码示例:
cpp
#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
// 错误做法:通过 this 指针创建 shared_ptr
std::shared_ptr<MyClass> get_self() {
return std::shared_ptr<MyClass>(this); // 新创建一个控制块
}
~MyClass() {
std::cout << "MyClass 被销毁" << std::endl;
}
};
int main() {
// 创建第一个 shared_ptr,此时会创建控制块 A,引用计数 = 1
std::shared_ptr<MyClass> p1(new MyClass());
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 1
// 调用 get_self(),通过 this 创建 p2,此时会创建控制块 B,引用计数 = 1
std::shared_ptr<MyClass> p2 = p1->get_self();
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 1(p1 仍用控制块 A)
std::cout << "p2 引用计数: " << p2.use_count() << std::endl; // 输出 1(p2 用控制块 B)
// 当 p1 和 p2 离开作用域时:
// 1. p1 销毁:控制块 A 计数减为 0 → 销毁 MyClass 对象。
// 2. p2 销毁:控制块 B 计数减为 0 → 再次尝试销毁 MyClass 对象(已被销毁)。
// 结果:二次释放(double free),属于未定义行为(可能崩溃)。
return 0;
}
问题分析:
p1
初始化时创建了控制块 A ,引用计数为1
(管理MyClass
对象)。p2
通过this
指针创建,会新建控制块 B ,引用计数为1
(同样指向MyClass
对象)。- 两个控制块完全独立,彼此不知道对方的存在。当
p1
和p2
都销毁时,会分别尝试释放同一个MyClass
对象,导致二次释放(未定义行为)。
3. std::enable_shared_from_this
的解决方案
std::enable_shared_from_this
是一个模板基类,其作用是让被 shared_ptr
管理的对象能够安全地返回一个指向自身的 shared_ptr
,且该 shared_ptr
会共享已有的控制块,避免创建新的控制块。
使用方法:
- 让类继承
std::enable_shared_from_this<MyClass>
(注意模板参数是类自身)。 - 在成员函数中通过
shared_from_this()
方法获取指向自身的shared_ptr
,而非直接使用this
。
正确代码示例:
cpp
#include <memory>
#include <iostream>
// 让类继承 enable_shared_from_this<MyClass>
class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
public:
// 正确做法:通过 shared_from_this() 获取 shared_ptr
std::shared_ptr<MyClass> get_self() {
return shared_from_this(); // 共享已有的控制块
}
~MyClass() {
std::cout << "MyClass 被销毁" << std::endl;
}
};
int main() {
// 创建第一个 shared_ptr,创建控制块 A,引用计数 = 1
std::shared_ptr<MyClass> p1(new MyClass());
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 1
// 调用 get_self(),通过 shared_from_this() 创建 p2,共享控制块 A
std::shared_ptr<MyClass> p2 = p1->get_self();
std::cout << "p1 引用计数: " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 2(p1 和 p2 共享控制块 A)
std::cout << "p2 引用计数: " << p2.use_count() << std::endl; // 输出 2
// 当 p1 和 p2 离开作用域时:
// 1. p2 销毁:控制块 A 计数减为 1。
// 2. p1 销毁:控制块 A 计数减为 0 → 销毁 MyClass 对象。
// 结果:对象只被销毁一次,行为正确。
return 0;
}
原理分析:
MyClass
继承std::enable_shared_from_this<MyClass>
后,enable_shared_from_this
内部会存储一个weak_ptr
(弱引用),该weak_ptr
会指向MyClass
对象的控制块。- 当调用
shared_from_this()
时,会通过内部的weak_ptr
升级为shared_ptr
,这个新的shared_ptr
会共享已有的控制块 (即p1
创建的控制块 A),因此引用计数会正确递增(从1
变为2
)。 - 最终
p1
和p2
销毁时,引用计数会依次递减,当减为0
时,对象只会被销毁一次,避免了二次释放。
4. 注意事项
-
shared_from_this()
只能在对象已被shared_ptr
管理时调用。如果对象未被shared_ptr
管理(如直接在栈上创建,或通过this
调用但无shared_ptr
指向它),调用shared_from_this()
会抛出std::bad_weak_ptr
异常。错误示例:
cppMyClass obj; auto p = obj.get_self(); // 错误:obj 未被 shared_ptr 管理,调用 shared_from_this() 会抛异常
-
不要在构造函数中调用
shared_from_this()
。因为此时对象尚未完全构造,enable_shared_from_this
内部的weak_ptr
还未与控制块关联,调用会导致未定义行为。
总结
std::enable_shared_from_this
的核心作用是:让被 shared_ptr
管理的对象能够安全地返回指向自身的 shared_ptr
,确保所有 shared_ptr
共享同一个控制块,从而保证引用计数正确,避免二次释放或对象提前析构等未定义行为。