shared_ptr 和 unique_ptr 深入探秘

C++ 中 shared_ptr 和 unique_ptr 是 C++11 之后被广泛使用的两个智能指针，但是其实他们在使用上还是有一些“秘密”的，我根据平时遇到的两个问题，总结记录一些知识。

为什么 unique_ptr 需要明确知道类型的析构函数

这个问题是我写 unique_ptr 调试接口的时候才注意到的，之前确实不知道。为什么会这样呢？首先我们必须要知道 unique_ptr 到底封装了什么？通常 unique_ptr 就是简单的对裸指针封装，并且禁用拷贝和赋值：

template<
    class T,
    class Deleter = std::default_delete<T>
> class unique_ptr;

可以看到，Deleter 的类型是 unique_ptr 类型的一部分。在 unique_ptr 内部会保存类型为 T* 和 Deleter 的成员，分别表示保存的裸指针和删除器。假设内部是这么实现的 (一般会运用空基类优化把 Deleter 的空间优化掉，libstdc++ 里把他们放进了一个 tuple。这里是简化了)：

1
2
3

private:
    T* p;
    Deleter del;

然后析构的时候就会这样：

~unique_ptr()
{
    del(p);
}

当 Deleter 是默认的 std::default_delete 时，del(p) 就会 delete p，delete 会调用析构函数。而 delete 一个不完整类型的指针是 ub(undefined behavior)。在典型的实现中都会在 delete 前通过 static_assert(sizeof(T) > 0) 做检查。 sizeof 对 incomplete type 求值会直接编译出错。

incomplete type 是指当定义一个变量的时候，不知道应该分配多少内存。C++ 声明和定义最大的区别就是是否发生内存分配，当发生内存分配的时候，必须知道要分配多少内存，通常一个未定义的 struct，未指定长度的数组类型，都会引发 incomplete type 的问题。参考：https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/c-language/incomplete-types?view=msvc-170

1 2	struct student; std::cout << sizeof(student) << std::endl;

上述代码执行会报错

1 2	prog.cc:17:18: error: invalid application of 'sizeof' to an incomplete type 'student' std::cout << sizeof(student) << std::endl;

只声明了结构体 student，但是并没有定义，所以是一个 incomplete type，所以 sizeof 无法执行。

回到 unique_ptr，现在我们知道 unique_ptr 的报错链路是 unique_ptr->delete->sizoef，也就是 sizeof 才是罪魁祸首。所以当 Deleter 非默认时，就不一定需要知道类型的析构函数。比如下面这样：

// A is incomplete type
class A;
auto Del = [] (A*) { };
std::unique_ptr<A, decltype(Del)> ptr;

因此可以对这个问题做定性：并不是 unique_ptr 需要知道析构函数，而是 unique_ptr 的默认删除器 Deleter 需要明确知道类型的析构函数。

继续深挖一下，这个问题会出现在 shared_ptr 吗？答案是不会。这又引入了另一个问题，shared_ptr 和 unique_ptr 的封装有什么不同？

shared_ptr 的封装

按理说 shared_ptr.reset 的时候需要 delete ptr 就需要 ptr 的类型（错了请指正），而 shared_ptr 的 template type 可以是 incomplete type（错误请指正）。cppreference 是这么描述的：

std::shared_ptr may be used with an incomplete typeT. However, the constructor from a raw pointer (template shared_ptr(Y)) and the templatevoid reset(Y) member function may only be called with a pointer to a complete type (note that std::unique_ptr may be constructed from a raw pointer to an incomplete type).

reset 的时候需要类型完整。默认构造的时候允许是不完整类型。为什么会这样呢？shared_ptr 怎么处理 Deleter 呢？(还记得吧， Deleter 就是智能指针析构时候的删除操作)

在常见编译器的实现里，shared_ptr 把 Deleter（包括默认情况下的 operator delete）放进一个叫做 control block 的结构里，相当于做了一次 type erasure，把 Deleter 的类型从 shared_ptr 类型本身里面擦下去。Deleter 的类型在 control block 的具体类型上，shared_ptr 本身只持有一个 control block 基类的指针，通过虚函数来调用 Deleter。而因为 shared_ptr 构造的时候要求必须是 complete type，control block已经知道怎么析构了，shared_ptr 析构的时候就调用个虚函数，具体事情它不管的。

这下我们明白了，unique_ptr 的封装太简单了，没有 control block，Deleter（包括默认的std::default_delete）直接做在 unique_ptr 一起了，这就导致 unique_ptr 的析构函数需要亲手析构被管理的类型，因此析构函数必须看到 complete type。然而反过来，因为构建的时候只需要保存下指针，所以 unique_ptr 构造的时候不需要看到 complete type。这俩正好是反的。C++ 标准并没有规定这些实现细节，但是规定函数签名和特性的时候，是考虑着比较合理的实现方式来写标准的，到最后标准落下来之后也差不多只能这么实现了。

总结

unique_ptr 只保存了类型指针 ptr 和这个指针的析构方法，调用 delete ptr，就需要ptr的完整类型，为了防止这个问题出现，直接通过 assert sizeof 排除掉了这种风险。unique_ptr 相当于在编译时绑定了删除器。
shared_ptr 保存的是一个控制块的指针。控制块包含的就是一个引用计数和一个原来对象的裸指针。控制块中初始化的指针是 nullptr，在运行时为其赋值，也可以通过 reset 修改。类似于虚函数，shared_ptr 相当于在运行时绑定了删除器。

虽然只是一个小小的知识点，但是也帮助我深入理解了 shared_ptr 和 unique_ptr 在设计上的区别，对于不同使用场景下选择不同智能指针的体会也更加深刻。