原文出处：一次诡异的内存泄漏

缘起

最近在补一些基础知识，恰好涉及到了智能指针std::weak_ptr在解决std::shared_ptr时候循环引用的问题，如下：

class A {  
public:  
    std::weak_ptr<B> b_ptr;  
};  

class B {  
public:  
    std::weak_ptr<A> a_ptr;  
};  

auto a = std::make_shared<A>();  
auto b = std::make_shared<B>();  

a->b_ptr = b;  
b->a_ptr = a;

就问了下，通常的用法是将A或者B中间的某一个变量声明为std::weak_ptr，如果两者都声明为std::weak_ptr会有什么问题？

咱们先不论这个问题本身，在随后的讨论中，风神突然贴了段代码：

#include <chrono>  
#include <memory>  
#include <thread>  
using namespace std;  

struct A {  
    char buffer[1024 * 1024 * 1024]; // 1GB  
    weak_ptr<A> next;  
};  

int main() {  
    while (true) {  
        auto a0 = make_shared<A>();  
        auto a1 = make_shared<A>();  
        auto a2 = make_shared<A>();  

        a0->next = a1;  
        a1->next = a2;  
        a2->next = a0;  

        // this weak_ptr leak:  
        new weak_ptr<A>{a0};  

        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3));  
    }  
    return 0;  
}

说实话，当初看了这个代码第一眼，是存在内存泄漏的(new一个weak_ptr没有释放)，而没有理解风神这段代码真正的含义，于是在本地把这段代码编译运行了下，我的乖乖，内存占用如图：

emm，虽然存在内存泄漏，但也不至于这么大，于是网上进行了搜索，直至我看到了下面这段话：

make_shared 只分配一次内存, 这看起来很好. 减少了内存分配的开销. 问题来了, weak_ptr 会保持控制块(强引用,以及弱引用的信息)的生命周期, 而因此连带着保持了对象分配的内存, 只有最后一个 weak_ptr 离开作用域时, 内存才会被释放. 原本强引用减为 0 时就可以释放的内存, 现在变为了强引用, 若引用都减为 0 时才能释放, 意外的延迟了内存释放的时间. 这对于内存要求高的场景来说, 是一个需要注意的问题.

如果介意上面new那点泄漏的话，不妨修改代码如下：

#include <chrono>  
#include <memory>  
#include <thread>  
using namespace std;  

struct A {  
    char buffer[1024 * 1024 * 1024]; // 1GB  
    weak_ptr<A> next;  
};  

int main() {  
    std::weak_ptr<A> wptr;  
    {  
        auto sptr = make_shared<A>();  
        wptr = sptr;  
    }  

    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(30));  
    return 0;  
}

也就是说，对于std::shared_ptr ptr(new Obj)，形如下图：

而对于std::make_shared，形如下图：

好了，理由上面已经说明白了，不再赘述了，如果你想继续分析的话，请看下文，否则~~

原因

虽然上节给出了原因，不过还是好奇心驱使，想从源码角度去了解下，于是打开了好久没看的gcc源码。

std::make_shared

首先看下它的定义：

template<typename _Tp, typename... _Args>  
inline shared_ptr<_Tp> make_shared(_Args&&... __args) {  
  typedef typename std::remove_cv<_Tp>::type _Tp_nc;  
  return std::allocate_shared<_Tp>(std::allocator<_Tp_nc>(),  
      std::forward<_Args>(__args)...);  
}

这个函数函数体只有一个std::std::allocate_shared，接着看它的定义：

template<typename _Tp, typename _Alloc, typename... _Args>  
inline shared_ptr<_Tp>  
allocate_shared(const _Alloc& __a, _Args&&... __args) {  
  return shared_ptr<_Tp>(_Sp_alloc_shared_tag<_Alloc>{__a},  
      std::forward<_Args>(__args)...);  
}

创建了一个shared_ptr对象，看下其对应的构造函数：

template<typename _Alloc, typename... _Args>  
shared_ptr(_Sp_alloc_shared_tag<_Alloc> __tag, _Args&&... __args)  
  : __shared_ptr<_Tp>(__tag, std::forward<_Args>(__args)...) { }

接着看__shared_ptr这个类对应的构造函数：

template<typename _Alloc, typename... _Args>  
__shared_ptr(_Sp_alloc_shared_tag<_Alloc> __tag, _Args&&... __args)  
  : _M_ptr(), _M_refcount(_M_ptr, __tag, std::forward<_Args>(__args)...)  
{ _M_enable_shared_from_this_with(_M_ptr); }

其中，_M_refcount的类型为__shared_count，也就是说我们通常所说的引用计数就是由其来管理。

因为调用make_shared函数，所以这里的_M_ptr指针也就是相当于一个空指针，然后继续看下_M_refcount（请注意_M_ptr作为参数传入）定 义：

template<typename _Tp, typename _Alloc, typename... _Args>  
__shared_count(_Tp*& __p, _Sp_alloc_shared_tag<_Alloc> __a, _Args&&... __args) {  
  typedef _Sp_counted_ptr_inplace<_Tp, _Alloc, _Lp> _Sp_cp_type; // L1  
  typename _Sp_cp_type::__allocator_type __a2(__a._M_a); // L2  
  auto __guard = std::__allocate_guarded(__a2);  
  _Sp_cp_type* __mem = __guard.get(); // L3  
  auto __pi = ::new (__mem)_Sp_cp_type(__a._M_a, std::forward<_Args>(__args)...); // L4  
  __guard = nullptr;  
  _M_pi = __pi;  
  __p = __pi->_M_ptr(); // L5  
}

这块代码当时看了很多遍，一直不明白在没有显示分配对象内存的情况下，是如何使用placement new的，直至今天上午，灵光一闪，突然明白了，且听慢慢道来。

首先看下L1行，其声明了模板类_Sp_counted_ptr_inplace的别名为_Sp_cp_type，其定义如下：

template<typename _Tp, typename _Alloc, _Lock_policy _Lp>
class _Sp_counted_ptr_inplace final : public _Sp_counted_base<_Lp>
{
  class _Impl : _Sp_ebo_helper<0, _Alloc>
  {
    typedef _Sp_ebo_helper<0, _Alloc>    _A_base;

  public:
    explicit _Impl(_Alloc __a) noexcept : _A_base(__a) { }

    _Alloc& _M_alloc() noexcept { return _A_base::_S_get(*this); }

    __gnu_cxx::__aligned_buffer<_Tp> _M_storage;
  };

public:
  using __allocator_type = __alloc_rebind<_Alloc, _Sp_counted_ptr_inplace>;

  // Alloc parameter is not a reference so doesn't alias anything in __args
  template<typename... _Args>
  _Sp_counted_ptr_inplace(_Alloc __a, _Args&&... __args)
  : _M_impl(__a)
  {
    // _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS
    // 2070.  allocate_shared should use allocator_traits<A>::construct
    allocator_traits<_Alloc>::construct(__a, _M_ptr(),
        std::forward<_Args>(__args)...); // might throw
  }

  ~_Sp_counted_ptr_inplace() noexcept { }

  virtual void
  _M_dispose() noexcept
  {
    allocator_traits<_Alloc>::destroy(_M_impl._M_alloc(), _M_ptr());
  }

  // Override because the allocator needs to know the dynamic type
  virtual void
  _M_destroy() noexcept
  {
    __allocator_type __a(_M_impl._M_alloc());
    __allocated_ptr<__allocator_type> __guard_ptr{ __a, this };
    this->~_Sp_counted_ptr_inplace();
  }

private:
  friend class __shared_count<_Lp>; // To be able to call _M_ptr().

  _Tp* _M_ptr() noexcept { return _M_impl._M_storage._M_ptr(); }

  _Impl _M_impl;
};

这个类继承于_Sp_counted_base，这个类定义不再次列出，需要注意的是其中有两个变量：

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

第一个为强引用技术，也就是shared对象引用计数，另外一个为弱因为计数。

继续看这个类，里面定义了一个class_Impl，其中我们创建的对象类型就在这个类里面定义，即__gnu_cxx::__aligned_buffer<_Tp> _M_storage;

接着看L2，这行定义了一个对象__a2，其对象类型为using __allocator_type = __alloc_rebind<_Alloc, _Sp_counted_ptr_inplace>;，这行的意思是重新封装rebind_alloc<_Sp_counted_ptr_inplace>

继续看L3，在这一行中会创建一块内存，这块内存中按照顺序为创建对象、强引用计数、弱引用计数等(也就是说分配一大块内存，这块内存中包含对象、强、弱引用计数所需内存等)，在创建这块内存的时候，强、弱引用计数已经被初始化

最后是L3，这块调用了placement new来创建，其中调用了对象的构造函数：

template<typename... _Args>  
  _Sp_counted_ptr_inplace(_Alloc __a, _Args&&... __args)  
  : _M_impl(__a)  
  {  
    // _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS  
    // 2070.  allocate_shared should use allocator_traits<A>::construct  
    allocator_traits<_Alloc>::construct(__a, _M_ptr(),  
        std::forward<_Args>(__args)...); // might throw  
  }

至此，整个std::make_shared流量已经完整的梳理完毕，最后返回一个shared_ptr对象。

好了，下面继续看下令人迷惑的，存在大内存不分配的这行代码：

new weak_ptr<A>{a0};

其对应的构造函数如下：

template<typename _Yp, typename = _Compatible<_Yp>>  
    __weak_ptr(const __shared_ptr<_Yp, _Lp>& __r) noexcept  
    : _M_ptr(__r._M_ptr), _M_refcount(__r._M_refcount)  
    { }

其中_M_refcount的类型为__weak_count，而__r._M_refcount即常说的强引用计数类型为__shared_count，其继承于接着往下看：

__weak_count(const __shared_count<_Lp>& __r) noexcept  
: _M_pi(__r._M_pi)  
{  
  if (_M_pi != nullptr)  
  _M_pi->_M_weak_add_ref();  
}

emm，弱引用计数加1，也就是说此时_M_weak_count为1。

接着，退出作用域，此时有std::make_shared创建的对象开始释放，因此其内部的成员变量r._M_refcount也跟着释放：

~__shared_count() noexcept  
{  
  if (_M_pi != nullptr)  
    _M_pi->_M_release();  
}

接着往下看_M_release()实现：

template<>  
inline void  
_Sp_counted_base<_S_single>::_M_release() noexcept  
{  
  if (--_M_use_count == 0)  
    {  
      _M_dispose();  
      if (--_M_weak_count == 0)  
        _M_destroy();  
    }  
}

此时，因为shared_ptr对象的引用计数本来就为1(没有其他地方使用)，所以if语句成立，执行_M_dispose()函数，在分析这个函数之前，先看下前面提到的代码：

__shared_ptr(_Sp_alloc_shared_tag<_Alloc> __tag, _Args&&... __args)  
    : _M_ptr(), _M_refcount(_M_ptr, __tag, std::forward<_Args>(__args)...)  
    { _M_enable_shared_from_this_with(_M_ptr); }

因为是使用std::make_shared()进行创建的，所以_M_ptr为空，此时传入_M_refcount的第一个参数也为空。接着看_M_dispose()定义：

template<>  
  inline void  
  _Sp_counted_ptr<nullptr_t, _S_single>::_M_dispose() noexcept { }  
template<>  
  inline void  
  _Sp_counted_ptr<nullptr_t, _S_mutex>::_M_dispose() noexcept { }  
template<>  
  inline void  
  _Sp_counted_ptr<nullptr_t, _S_atomic>::_M_dispose() noexcept { }

因为传入的指针为nullptr，因此调用了_Sp_counted_ptr的特化版本，因此_M_dispose()这个函数什么都没做。因为_M_pi->_M_weak_add_ref();这个操作，此时这个计数经过减1之后不为0，因此没有没有执行_M_destroy()操作，因此之前申请的大块内存没有被释放，下面是_M_destroy()实现：

virtual void  
_M_destroy() noexcept  
{  
  __allocator_type __a(_M_impl._M_alloc());  
  __allocated_ptr<__allocator_type> __guard_ptr{ __a, this };  
  this->~_Sp_counted_ptr_inplace();  
}

也就是说真正调用了这个函数，内存才会被分配，示例代码中，显然不会，这就是造成内存一直不被释放的原因。

总结

下面解释下我当时阅读这块代码最难理解的部分，下面是make_shared执行过程：

下面是析构过程：

整体看下来，比较重要的一个类就是_Sp_counted_base不仅充当引用计数功能，还充当内存管理功能。从上面的分析可以看到，_Sp_counted_base负责释放用户申请的申请的内存，即

最后，借助群里经常说的一句话cpp？ 狗都不学结束本文。