Android系统的智能指针（轻量级指针、强指针和弱指针）的实现原理分析（1）

  Android系统的运行时库层代码是用C++来编写的，用C++来写代码最容易出错的地方就是指针了，一旦使用不当，轻则造成内存泄漏，重则造成系统崩溃。不过系统为我们提供了智能指针，避免出现上述问题，本文将系统地分析Android系统智能指针（轻量级指针、强指针和弱指针）的实现原理。

        在使用C++来编写代码的过程中，指针使用不当造成内存泄漏一般就是因为new了一个对象并且使用完之后，忘记了delete这个对象，而造成系统崩溃一般就是因为一个地方delete了这个对象之后，其它地方还在继续使原来指向这个对象的指针。为了避免出现上述问题，一般的做法就是使用引用计数的方法，每当有一个指针指向了一个new出来的对象时，就对这个对象的引用计数增加1，每当有一个指针不再使用这个对象时，就对这个对象的引用计数减少1，每次减1之后，如果发现引用计数值为0时，那么，就要delete这个对象了，这样就避免了忘记delete对象或者这个对象被delete之后其它地方还在使用的问题了。但是，如何实现这个对象的引用计数呢？肯定不是由开发人员来手动地维护了，要开发人员时刻记住什么时候该对这个对象的引用计数加1，什么时候该对这个对象的引用计数减1，一来是不方便开发，二来是不可靠，一不小心哪里多加了一个1或者多减了一个1，就会造成灾难性的后果。这时候，智能指针就粉墨登场了。首先，智能指针是一个对象，不过这个对象代表的是另外一个真实使用的对象，当智能指针指向实际对象的时候，就是智能指针对象创建的时候，当智能指针不再指向实际对象的时候，就是智能指针对象销毁的时候，我们知道，在C++中，对象的创建和销毁时会分别自动地调用对象的构造函数和析构函数，这样，负责对真实对象的引用计数加1和减1的工作就落实到智能指针对象的构造函数和析构函数的身上了，这也是为什么称这个指针对象为智能指针的原因。

        在计算机科学领域中，提供垃圾收集（Garbage Collection）功能的系统框架，即提供对象托管功能的系统框架，例如Java应用程序框架，也是采用上述的引用计数技术方案来实现的，然而，简单的引用计数技术不能处理系统中对象间循环引用的情况。考虑这样的一个场景，系统中有两个对象A和B，在对象A的内部引用了对象B，而在对象B的内部也引用了对象A。当两个对象A和B都不再使用时，垃圾收集系统会发现无法回收这两个对象的所占据的内存的，因为系统一次只能收集一个对象，而无论系统决定要收回对象A还是要收回对象B时，都会发现这个对象被其它的对象所引用，因而就都回收不了，这样就造成了内存泄漏。这样，就要采取另外的一种引用计数技术了，即对象的引用计数同时存在强引用和弱引用两种计数，例如，Apple公司提出的Cocoa框架，当父对象要引用子对象时，就对子对象使用强引用计数技术，而当子对象要引用父对象时，就对父对象使用弱引用计数技术，而当垃圾收集系统执行对象回收工作时，只要发现对象的强引用计数为0，而不管它的弱引用计数是否为0，都可以回收这个对象，但是，如果我们只对一个对象持有弱引用计数，当我们要使用这个对象时，就不直接使用了，必须要把这个弱引用升级成为强引用时，才能使用这个对象，在转换的过程中，如果对象已经不存在，那么转换就失败了，这时候就说明这个对象已经被销毁了，不能再使用了。

       了解了这些背景知识后，我们就可以进一步学习Android系统的智能指针的实现原理了。Android系统提供了强大的智能指针技术供我们使用，这些智能指针实现方案既包括简单的引用计数技术，也包括了复杂的引用计数技术，即对象既有强引用计数，也有弱引用计数，对应地，这三种智能指针分别就称为轻量级指针（Light Pointer）、强指针（Strong Pointer）和弱指针（Weak Pointer）。无论是轻量级指针，还是强指针和弱指针，它们的实现框架都是一致的，即由对象本身来提供引用计数器，但是它不会去维护这个引用计数器的值，而是由智能指针来维护，就好比是对象提供素材，但是具体怎么去使用这些素材，就交给智能指针来处理了。由于不管是什么类型的对象，它都需要提供引用计数器这个素材，在C++中，我们就可以把这个引用计数器素材定义为一个公共类，这个类只有一个成员变量，那就是引用计数成员变量，其它提供智能指针引用的对象，都必须从这个公共类继承下来，这样，这些不同的对象就天然地提供了引用计数器给智能指针使用了。总的来说就是我们在实现智能指会的过程中，第一是要定义一个负责提供引用计数器的公共类，第二是我们要实现相应的智能指针对象类，后面我们会看到这种方案是怎么样实现的。

        接下来，我们就先介绍轻量级指针的实现原理，然后再接着介绍强指针和弱指针的实现原理。

        1. 轻量级指针

        先来看一下实现引用计数的类LightRefBase，它定义在frameworks/base/include/utils/RefBase.h文件中：

1. template <class T>   
2. class LightRefBase   
3. {   
4. public:   
5.     inline LightRefBase() : mCount(0) { }   
6.     inline void incStrong(const void* id) const {   
7.         android_atomic_inc(&mCount);   
8.     }   
9.     inline void decStrong(const void* id) const {   
10.         if (android_atomic_dec(&mCount) == 1) {   
11.             delete static_cast<const T*>(this);   
12.         }   
13.     }   
14.     //! DEBUGGING ONLY: Get current strong ref count.   
15.     inline int32_t getStrongCount() const {   
16.         return mCount;   
17.     }   
18.    
19. protected:   
20.     inline ~LightRefBase() { }   
21.    
22. private:   
23.     mutable volatile int32_t mCount;   
24. };   

这个类很简单，它只一个成员变量mCount，这就是引用计数器了，它的初始化值为0，另外，这个类还提供两个成员函数incStrong和decStrong来维护引用计数器的值，这两个函数就是提供给智能指针来调用的了，这里要注意的是，在decStrong函数中，如果当前引用计数值为1，那么当减1后就会变成0，于是就会delete这个对象。

     前面说过，要实现自动引用计数，除了要有提供引用计数器的基类外，还需要有智能指针类。在Android系统中，配合LightRefBase引用计数使用的智能指针类便是sp了，它也是定义在frameworks/base/include/utils/RefBase.h文件中：

1. template <typename T>   
2. class sp   
3. {   
4. public:   
5.     typedef typename RefBase::weakref_type weakref_type;   
6.    
7.     inline sp() : m_ptr(0) { }   
8.    
9.     sp(T* other);   
10.     sp(const sp<T>& other);   
11.     template<typename U> sp(U* other);   
12.     template<typename U> sp(const sp<U>& other);   
13.    
14.     ~sp();   
15.    
16.     // Assignment   
17.    
18.     sp& operator = (T* other);   
19.     sp& operator = (const sp<T>& other);   
20.    
21.     template<typename U> sp& operator = (const sp<U>& other);   
22.     template<typename U> sp& operator = (U* other);   
23.    
24.     //! Special optimization for use by ProcessState (and nobody else).   
25.     void force_set(T* other);   
26.    
27.     // Reset   
28.    
29.     void clear();   
30.    
31.     // Accessors   
32.    
33.     inline  T&      operator* () const  { return *m_ptr; }   
34.     inline  T*      operator-> () const { return m_ptr;  }   
35.     inline  T*      get() const         { return m_ptr; }   
36.    
37.     // Operators   
38.    
39.     COMPARE(==)   
40.         COMPARE(!=)   
41.         COMPARE(>)   
42.         COMPARE(<)   
43.         COMPARE(<=)   
44.         COMPARE(>=)   
45.    
46. private:   
47.     template<typename Y> friend class sp;   
48.     template<typename Y> friend class wp;   
49.    
50.     // Optimization for wp::promote().   
51.     sp(T* p, weakref_type* refs);   
52.    
53.     T*              m_ptr;   
54. };   

   这个类的内容比较多，但是这里我们只关注它的成员变量m_ptr、构造函数和析构函数。不难看出，成员变量m_ptr就是指向真正的对象了，它是在构造函数里面初始化的。接下来我们就再看一下它的两个构造函数，一个是普通构造函数，一个拷贝构造函数：

1. template<typename T>   
2. sp<T>::sp(T* other)   
3.     : m_ptr(other)   
4. {   
5.     if (other) other->incStrong(this);   
6. }   
7.    
8. template<typename T>   
9. sp<T>::sp(const sp<T>& other)   
10.     : m_ptr(other.m_ptr)   
11. {   
12.     if (m_ptr) m_ptr->incStrong(this);   
13. }   

    这两个构造函数都会首先初始化成员变量m_ptr，然后再调用m_ptr的incStrong函数来增加对象的引用计数，在我们这个场景中，就是调用LightRefBase类的incStrong函数了。

        最后，看一下析构函数：

1. template<typename T>   
2. sp<T>::~sp()   
3. {   
4.     if (m_ptr) m_ptr->decStrong(this);   
5. }   

   析构函数也很简单，只是调用m_ptr的成员函数decStrong来减少对象的引用计数值，这里就是调用LightRefBase类的decStrong函数了，前面我们看到，当这个引用计数减1后变成0时，就会自动delete这个对象了。

   轻量级智能指针的实现原理大概就是这样了，比较简单，下面我们再用一个例子来说明它的用法。

        2. 轻量级指针的用法

        参考在Ubuntu上为Android系统内置C可执行程序测试Linux内核驱动程序一文，我们在external目录下建立一个C++工程目录lightpointer，它里面有两个文件，一个lightpointer.cpp文件，另外一个是Android.mk文件。

        源文件lightpointer.cpp的内容如下：

1. #include <stdio.h>   
2. #include <utils/RefBase.h>   
3.    
4. using namespace android;   
5.    
6. class LightClass : public LightRefBase<LightClass>   
7. {   
8. public:   
9.         LightClass()   
10.         {   
11.                 printf("Construct LightClass Object.");   
12.         }   
13.    
14.         virtual ~LightClass()   
15.         {   
16.                 printf("Destory LightClass Object.");   
17.         }   
18. };   
19.    
20. int main(int argc, char** argv)   
21. {   
22.         LightClass* pLightClass = new LightClass();   
23.         sp<LightClass> lpOut = pLightClass;   
24.    
25.         printf("Light Ref Count: %d.\n", pLightClass->getStrongCount());   
26.    
27.         {   
28.                 sp<LightClass> lpInner = lpOut;   
29.    
30.                 printf("Light Ref Count: %d.\n", pLightClass->getStrongCount());   
31.         }   
32.    
33.         printf("Light Ref Count: %d.\n", pLightClass->getStrongCount());   
34.    
35.         return 0;   
36. }   

   我们创建一个自己的类LightClass，继承了LightRefBase模板类，这样类LightClass就具有引用计数的功能了。在main函数里面，我们首先new一个LightClass对象，然后把这个对象赋值给智能指针lpOut，这时候通过一个printf语句来将当前对象的引用计数值打印出来，从前面的分析可以看出，如果一切正常的话，这里打印出来的引用计数值为1。接着，我们又在两个大括号里面定义了另外一个智能指针lpInner，它通过lpOut间接地指向了前面我们所创建的对象，这时候再次将当前对象的引用计数值打印出来，从前面 的分析也可以看出，如果一切正常的话，这里打印出来的引用计数值应该为2。程序继承往下执行，当出了大括号的范围的时候，智能指针对象lpInner就被析构了，从前面的分析可以知道，智能指针在析构的时候，会减少当前对象的引用计数值，因此，最后一个printf语句打印出来的引用计数器值应该为1。当main函数执行完毕后，智能指针lpOut也会被析构，被析构时，它会再次减少当前对象的引用计数，这时候，对象的引用计数值就为0了，于是，它就会被delete了。

   编译脚本文件Android.mk的内容如下：

1. LOCAL_PATH := $(call my-dir)   
2. include $(CLEAR_VARS)   
3. LOCAL_MODULE_TAGS := optional   
4. LOCAL_MODULE := lightpointer   
5. LOCAL_SRC_FILES := lightpointer.cpp   
6. LOCAL_SHARED_LIBRARIES := \   
7.         libcutils \   
8.         libutils   
9. include $(BUILD_EXECUTABLE)   

 最后，我们参照如何单独编译Android源代码中的模块一文，使用mmm命令对工程进行编译：USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ make snod  
  最后得到可执行程序lightpointer就位于设备上的/system/bin/目录下。启动模拟器，通过adb shell命令进入到模拟器终端，进入到/system/bin/目录，执行lightpointer可执行程序，验证程序是否按照我们设计的逻辑运行：

1. USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ adb shell  
2. root@android:/ # cd system/bin/          
3. root@android:/system/bin # ./lightpointer                                        
4. Construct LightClass Object.  
5. Light Ref Count: 1.  
6. Light Ref Count: 2.  
7. Light Ref Count: 1.  
8. Destory LightClass Object.  

   这里可以看出，程序一切都是按照我们的设计来运行，这也验证了我们上面分析的轻量级智能指针的实现原理。