Day 02｜控制块分离架构：Boost 风格 shared_ptr 骨架落地

目标：用 7 天时间，从"最简引用计数"迭代到接近 Boost shared_ptr 的控制块架构：默认删除器、自定义删除器、线程安全、weak_ptr、make_shared、最终工程化。

Day 02 只做一件事：把 Day01 的 ptr_ + count_ 最小实现，重构为 控制块（control block）模式 ：引入 sp_counted_base + shared_count，让 shared_ptr<T> 只保留 T* ptr_ + shared_count pn_。

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1. 今日目标（非常聚焦）

今天我们要将第 1 天的简单实现重构为 Boost 的经典架构：

1. 引入抽象基类 sp_counted_base（控制块基类）
2. 实现默认删除器的具体类 sp_counted_impl_p<Y>
3. 创建 shared_count 辅助类管理控制块生命周期
4. 重构 shared_ptr：由"计数指针"改为"控制块架构"
5. 理解类型擦除（Type Erasure）在 shared_ptr 中的应用

核心收获：掌握 Boost 的多态控制块设计，为 Day03 的自定义删除器打下基础。

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2. 今日设计：控制块分离（从 Day01 到 Day02）

2.1 Day01 的最小实现与局限

Day01 的结构：

template<typename T>
class shared_ptr {
    T* ptr_;
    long* count_;  // 只能管理 new 分配的对象
};

局限：

• 只能用 delete 释放资源
• 无法管理数组（delete[]）
• 无法管理文件句柄（fclose）
• 无法自定义资源释放策略

2.2 Boost 的解决方案：多态控制块

核心思想：把"如何释放资源"的逻辑封装到控制块里，用虚函数实现多态。

第 1 天架构： 第 2 天架构：

───────────── ─────────────

shared_ptr shared_ptr

├─ T* ptr_ ├─ T* ptr_

└─ long* count_ └─ shared_count

└─ sp_counted_base*

├─ use_count_

├─ weak_count_

└─ virtual dispose() = 0

▲

┌──────────────┴──────────────┐

sp_counted_impl_p sp_counted_impl_pd<Y,D>

(默认 delete) (自定义删除器：Day03)

2.3 完整架构图（最小闭环形态）

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    shared_ptr<Widget>                       │
│  ┌────────────────────┬─────────────────────────────────┐   │
│  │ Widget* ptr_       │   shared_count pn_              │   │
│  └────────┬───────────┴──────────┬──────────────────────┘   │
└───────────┼──────────────────────┼──────────────────────────┘
            │                      │
            │                      └─────────────────┐
            ▼                                        ▼
   ┌────────────────┐              ┌─────────────────────────────────┐
   │  Widget 对象   │              │    sp_counted_base (抽象类)      │
   │  (堆内存)      │              │  ┌───────────────────────────┐  │
   └────────────────┘              │  │ long use_count_  = 1      │  │
                                   │  │ long weak_count_ = 1      │  │
                                   │  ├───────────────────────────┤  │
                                   │  │ virtual void dispose()=0  │  │ ◄── 纯虚函数
                                   │  │ virtual void destroy()    │  │
                                   │  └───────────────────────────┘  │
                                   └──────────────▲──────────────────┘
                                                  │ 继承
                          ┌───────────────────────┴───────────────────────┐
                          │                                               │
         ┌────────────────┴────────────────┐         ┌──────────────────┴────────────┐
         │  sp_counted_impl_p<Widget>      │         │  sp_counted_impl_pd<Y,D>      │
         │  (默认删除器:delete)             │         │  (自定义删除器:Day03)         │
         │  ┌──────────────────────────┐   │         │                               │
         │  │ Widget* px_              │   │         │  下一天讲解...                 │
         │  │ void dispose() override  │   │         └───────────────────────────────┘
         │  │ { delete px_; }          │   │
         │  └──────────────────────────┘   │
         └─────────────────────────────────┘

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3. 关键实现

3.1 控制块基类 sp_counted_base：强/弱计数 + 两段式销毁

sp_counted_base 做三件事：

1. 保存引用计数：use_count_ / weak_count_
2. 提供多态释放入口：dispose()
3. 管理控制块自身释放：destroy()

最关键的区别：

• dispose()：释放"被管理的对象"（use_count 归零触发）
• destroy()：释放"控制块自己"（weak_count 归零触发，默认 delete this）

同时，Day02 引入了经典不变量：

weak_count_ 初始化为 1（隐含弱引用），表示"只要存在 shared_ptr，控制块就必须活着"。

典型链路（只有 shared_ptr，没有 weak_ptr）：

1. 创建 shared_ptr：use=1, weak=1
2. 最后一个 shared_ptr 析构：use→0
3. 调 dispose() 释放对象
4. 同时释放那份隐含弱引用：weak→0 → destroy() 删除控制块

这套机制正是 Day05 weak_ptr 的前置地基。

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3.2 默认删除器控制块 sp_counted_impl_p

默认控制块保存真实类型指针 Y*，并在 dispose() 里 delete：

template<typename Y>
class sp_counted_impl_p : public sp_counted_base {
    Y* px_;
    void dispose() noexcept override {
        delete px_;   // delete 的是 Y*（真实类型）
    }
};

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3.3 shared_count：控制块的 RAII 管理器

shared_count 的职责就是"持有 sp_counted_base* 并做引用计数增减"：

• 拷贝构造：add_ref_copy()（use_count++）
• 析构：release()（use_count--，归零触发 dispose / destroy 链路）
• 赋值：先增新再减旧（避免自赋值/同控制块的危险顺序）
• use_count()：供 shared_ptr 转发观察

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3.4 shared_ptr 变薄：只剩 T* + shared_count

Day02 的 shared_ptr 最明显变化：

• Day01：T* ptr_ + long* count_
• Day02：T* ptr_ + shared_count pn_

shared_ptr 不再直接碰 use_count_，只负责：

• 指针语义：get / operator* / operator-> / operator bool
• 所有权共享：交给 shared_count
• reset/swap：用"临时对象 + swap"实现干净的状态切换

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3.5 关键技术：类型擦除（Type Erasure）

问题：shared_ptr<Base> 如何正确释放 new Derived？

Day02 的关键点是：释放看真实类型 Y，而不是表面类型 T。

• T 决定访问视角：shared_ptr 里存 T*
• Y 决定释放方式：控制块是 sp_counted_impl_p<Y>，dispose() 里 delete (Y*)

因此构造函数写成模板：

template<typename Y>
explicit shared_ptr(Y* p)
  : ptr_(p), pn_(p) {   // pn_(p) 内部 new sp_counted_impl_p<Y>(p)
}

这样 shared_ptr<Animal> animal(new Dog) 时：

• shared_ptr 对外类型是 Animal
• 控制块内部保存的是 Dog*
• 析构时通过虚函数分发到 sp_counted_impl_p<Dog>::dispose() → delete Dog*

这就是"类型擦除"的本质：

shared_ptr 本身只保留 sp_counted_base*（类型被擦掉），真实类型信息被封装进控制块派生类里。

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4. 单元测试：我怎么验证 Day02 闭环正确

我用了一个动物类层次结构（Animal / Dog / Cat），以及 5 组测试：

测试 1：基本控制块功能

• 创建 dog1：use_count=1
• 拷贝 dog2(dog1)：两者 use_count=2
• dog2 出作用域：dog1 回到 1
• dog1 出作用域：对象只析构一次（~Dog → ~Animal）

测试 2：类型擦除（Dog/Cat → Animal）

• shared_ptr<Animal> animal(new Dog)：能 speak，多态输出正确
• 出作用域：析构顺序正确

测试 3：多态容器

• shared_ptr<Animal> pets[3] 混合存 Dog/Cat
• 循环 speak 正确
• 每个 use_count 都为 1
• 出作用域全部释放

测试 4：隐式类型转换（shared_ptr → shared_ptr）

• animal = dog 后两者 use_count=2
• 访问与 speak 正常
• 生命周期共享同一控制块

测试 5：reset()

• p1.reset() 后：p1 为空，p2 仍持有，计数正确
• p2.reset(new Dog)：旧对象释放，新对象接管成功

运行输出（控制台）与每个测试的断言预期一致，验证了"控制块 + shared_count + shared_ptr 变薄"的闭环正确。

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5. 开发过程中遇到的关键问题

问题 1：为什么要有 dispose() 和 destroy() 两个阶段？

因为需要把生命周期拆成两段：

• 对象生命周期：由 use_count 决定（最后一个 shared_ptr 释放对象）
• 控制块生命周期：由 weak_count 决定（最后一个 weak_ptr 才能删控制块）

没有这两个阶段，Day05 引入 weak_ptr 会非常别扭。

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问题 2：weak_count_ 为什么初始化为 1？

因为控制块需要一份"隐含弱引用"来表示：只要 use_count>0，控制块必须存在 。

最后一个 shared_ptr 释放对象后，会同时释放这份隐含弱引用：

• 若没有 weak_ptr：weak 从 1 变 0，控制块立刻销毁
• 若有 weak_ptr：weak 仍 >0，控制块继续存活，供 weak_ptr 观察对象已过期

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问题 3：类型擦除到底擦掉了什么？

shared_ptr 不再直接存 "真实类型/删除策略"，只存一个 sp_counted_base*。

真实类型 Y（以及删除方式）被封装在派生控制块 sp_counted_impl_p<Y> 的 dispose() 里，通过虚函数分发回正确实现。

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问题 4：为什么要加"兼容类型拷贝构造"（Derived → Base）？

因为我们需要支持：

shared_ptr<Dog> dog(new Dog);
shared_ptr<Animal> animal = dog;  // 合法

它的语义是：两者共享同一控制块（计数+1），但对外访问指针从 Dog* 视角变成 Animal* 视角。

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6. Day 02 检查清单（复盘 Q&A）

• Q1：为什么需要抽象基类 sp_counted_base？
  A：把"释放策略"从 shared_ptr 中抽离，用虚函数多态承载 delete/自定义删除器等扩展。
• Q2：能画出控制块继承结构吗？
  A：sp_counted_base → sp_counted_impl_p<Y>（默认 delete）→（Day03）sp_counted_impl_pd<Y,D>（自定义 deleter）。
• Q3：dispose() 和 destroy() 的区别？
  A：dispose 管对象（use_count==0）；destroy 管控制块（weak_count==0）。
• Q4：什么是类型擦除？
  A：shared_ptr 只保存 sp_counted_base*，真实类型与删除方式藏在控制块派生类里，析构通过虚函数分发到正确 delete。
• Q5：weak_count_ 为什么初始化为 1？
  A：隐含弱引用代表 shared_ptr 群体对控制块的占用；对象销毁后释放这 1，若无 weak_ptr 控制块立刻销毁，否则延迟到所有 weak_ptr 释放。

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7. 今日迭代进度

✅ Day02 已完成：控制块分离架构（Boost 风格骨架）

• sp_counted_base：强/弱计数 + dispose/destroy 两段式释放
• sp_counted_impl_p<Y>：默认 delete 的具体控制块
• shared_count：控制块 RAII 管理器
• shared_ptr<T> 变薄：T* + shared_count
• 完整测试：生命周期、类型转换、多态容器、reset 行为闭环