C++:为什么unique_ptr的Deleter是模板类型参数,而shared_ptr的Deleter不是?
为什么unique_ptr
的Deleter是模板类型参数,而shared_ptr
的Deleter不是?
template <class T, class D = default_delete<T>>
class unique_ptr {
public:
...
unique_ptr (pointer p,
typename conditional<is_reference<D>::value,D,const D&> del) noexcept;
...
};
template <class T>
class shared_ptr {
public:
...
template <class U, class D>
shared_ptr (U* p, D del);
...
};
上面的代码中能看到unique_ptr
的第二个模板类型参数是Deleter,而shared_ptr
的Delete则只是构造函数参数的一部分,并不是shared_ptr
的类型的一部分。
为什么会有这个区别呢?
答案是效率。unique_ptr
的设计目标之一是尽可能的高效,如果用户不指定Deleter,就要像原生指针一样高效。
Deleter作为对象的成员一般会有哪些额外开销?
- 通常要存起来,多占用空间。
- 调用时可能会有一次额外的跳转(相比
delete
或delete[]
)。
shared_ptr
总是要分配一个ControlBlock的,多加一个Deleter的空间开销也不大,第一条pass;shared_ptr
在析构时要先原子减RefCount,如果WeakCount也为0还要再析构ControlBlock,那么调用Deleter析构持有的对象时多一次跳转也不算什么,第二条pass。
既然shared_ptr
并不担心Deleter带来的额外开销,同时把Deleter作为模板类型的一部分还会导致使用上变复杂,那么它只把Deleter作为构造函数的类型就是显然的事情了。
而unique_ptr
采用了“空基类”的技巧,将Deleter作为基类,在用户不指定Deleter时根本不占空间,第一条pass;用户不指定Deleter时默认的Deleter会是default_delete
,它的operator()
在类的定义内,会被inline掉,这样调用Deleter时也就没有额外的开销了,第二条pass。
因此unique_ptr
通过上面两个技巧,成功的消除了默认Deleter可能带来的额外开销,保证了与原生指针完全相同的性能。代价就是Deleter需要是模板类型的一部分。
相关文档
- Why does unique_ptr take two template parameters when shared_ptr only takes one?
- Why does unique_ptr have the deleter as a type parameter while shared_ptr doesn't?
unique_ptr
是如何使用空基类技巧的
我们参考clang的实现来学习一下unique_ptr
使用的技巧。
template <class _Tp, class _Dp = default_delete<_Tp> >
class unique_ptr
{
public:
typedef _Tp element_type;
typedef _Dp deleter_type;
typedef typename __pointer_type<_Tp, deleter_type>::type pointer;
private:
__compressed_pair<pointer, deleter_type> __ptr_;
...
};
忽略掉unique_ptr
中的各种成员函数,我们看到它只有一个成员变量__ptr__
,类型是__compressed_pair<pointer, deleter_type>
。我们看看它是什么,是怎么省掉了Deleter的空间的。
template <class _T1, class _T2>
class __compressed_pair
: private __libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2> {
...
};
__compressed_pair
没有任何的成员变量,就说明它的秘密藏在了它的基类中,我们继续看。
template <class _T1, class _T2, unsigned = __libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2>::value>
class __libcpp_compressed_pair_imp;
__libcpp_compressed_pair_imp
有三个模板类型参数,前两个是传入的_T1
和_T2
,第三个参数是一个无符号整数,它是什么?我们往下看,看到了它的若干个特化版本:
template <class _T1, class _T2>
class __libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2, 0>
{
private:
_T1 __first_;
_T2 __second_;
...
};
template <class _T1, class _T2>
class __libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2, 1>
: private _T1
{
private:
_T2 __second_;
...
};
template <class _T1, class _T2>
class __libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2, 2>
: private _T2
{
private:
_T1 __first_;
...
};
template <class _T1, class _T2>
class __libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2, 3>
: private _T1,
private _T2
{
...
};
看起来第三个参数有4种取值,分别是:
- 0: 没有基类,两个成员变量。
- 1: 有一个基类
_T1
,和一个_T2
类型的成员变量。 - 2: 有一个基类
_T2
,和一个_T1
类型的成员变量。 - 3: 有两个基类
_T1
和_T2
,没有成员变量。
__compressed_pair
继承自__libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2>
,没有指定第三个参数的值,那么这个值应该来自__libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2>::value
。我们看一下__libcpp_compressed_pair_switch
是什么:
template <class _T1, class _T2, bool = is_same<typename remove_cv<_T1>::type,
typename remove_cv<_T2>::type>::value,
bool = is_empty<_T1>::value
&& !__libcpp_is_final<_T1>::value,
bool = is_empty<_T2>::value
&& !__libcpp_is_final<_T2>::value
>
struct __libcpp_compressed_pair_switch;
template <class _T1, class _T2, bool IsSame>
struct __libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2, IsSame, false, false> {enum {value = 0};};
template <class _T1, class _T2, bool IsSame>
struct __libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2, IsSame, true, false> {enum {value = 1};};
template <class _T1, class _T2, bool IsSame>
struct __libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2, IsSame, false, true> {enum {value = 2};};
template <class _T1, class _T2>
struct __libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2, false, true, true> {enum {value = 3};};
template <class _T1, class _T2>
struct __libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2, true, true, true> {enum {value = 1};};
__libcpp_compressed_pair_switch
的三个bool模板参数的含义是:
_T1
和_T2
在去掉顶层的const
和volatile
后,是不是相同类型。_T1
是不是空类型。_T2
是不是空类型。
满足以下条件的类型就是空类型:
- 不是union;
- 除了size为0的位域之外,没有非static的成员变量;
- 没有虚函数;
- 没有虚基类;
- 没有非空的基类。
可以看到,在_T1
和_T2
不同时,它们中的空类型就会被当作__compressed_pair
的基类,就会利用到C++中的“空基类优化“。
那么在unique_ptr
中,_T1
和_T2
都是什么呢?看前面的代码,_T1
就是__pointer_type<_Tp, deleter_type>::type
,而_T2
则是Deleter,在默认情况下是default_delete<_Tp>
。
我们先看__pointer_type
是什么:
namespace __pointer_type_imp
{
template <class _Tp, class _Dp, bool = __has_pointer_type<_Dp>::value>
struct __pointer_type
{
typedef typename _Dp::pointer type;
};
template <class _Tp, class _Dp>
struct __pointer_type<_Tp, _Dp, false>
{
typedef _Tp* type;
};
} // __pointer_type_imp
template <class _Tp, class _Dp>
struct __pointer_type
{
typedef typename __pointer_type_imp::__pointer_type<_Tp, typename remove_reference<_Dp>::type>::type type;
};
可以看到__pointer_type<_Tp, deleter_type>::type
就是__pointer_type_imp::__pointer_type<_Tp, typename remove_reference<_Dp>::type>::type
。这里我们看到了__has_pointer_type
,它是什么?
namespace __has_pointer_type_imp
{
template <class _Up> static __two __test(...);
template <class _Up> static char __test(typename _Up::pointer* = 0);
}
简单来说__has_pointer_type
就是:如果_Up
有一个内部类型pointer
,即_Up::pointer
是一个类型,那么__has_pointer_type
就返回true
,例如pointer_traits::pointer
,否则返回false
。
大多数场景下_Dp
不会是pointer_traits
,因此__has_pointer_type
就是false
,__pointer_type<_Tp, deleter_type>::type
就是_Tp*
,我们终于看到熟悉的原生指针了!
_T1
是什么我们已经清楚了,就是_Tp*
,它不会是空基类。那么_T2
呢?我们看default_delete<_Tp>
:
template <class _Tp>
struct default_delete
{
template <class _Up>
default_delete(const default_delete<_Up>&,
typename enable_if<is_convertible<_Up*, _Tp*>::value>::type* = 0) _NOEXCEPT {}
void operator() (_Tp* __ptr) const _NOEXCEPT
{
static_assert(sizeof(_Tp) > 0, "default_delete can not delete incomplete type");
static_assert(!is_void<_Tp>::value, "default_delete can not delete incomplete type");
delete __ptr;
}
};
我们看到default_delete
符合上面说的空类型的几个要求,因此_T2
就是空类型,也是__compressed_pair
的基类,在”空基类优化“后,_T2
就完全不占空间了,只占一个原生指针的空间。
而且default_delete::operator()
是定义在default_delete
内部的,默认是inline的,它在调用上的开销也被省掉了!
遗留问题
__libcpp_compressed_pair_switch
在_T1
和_T2
类型相同,且都是空类型时,为什么只继承自_T1
,而把_T2
作为成员变量的类型?unique_ptr
与pointer_traits
是如何交互的?
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