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C++：為什麼unique_ptr的Deleter是模板類型參數，而shared_ptr的Deleter不是？
為什麼unique_ptr的Deleter是模板類型參數，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);
...
};
上麵的代碼中能看到unique_ptr的第二個模板類型參數是Deleter，而shared_ptr的Delete則隻是構造函數參數的一部分，並不是shared_ptr的類型的一部分。
為什麼會有這個區別呢？
答案是效率。unique_ptr的設計目標之一是盡可能的高效，如果用戶不指定Deleter，就要像原生指針一樣高效。
Deleter作為對象的成員一般會有哪些額外開銷？
- 通常要存起來，多占用空間。
- 調用時可能會有一次額外的跳轉（相比
delete或delete[]）。
shared_ptr總是要分配一個ControlBlock的，多加一個Deleter的空間開銷也不大，第一條pass；shared_ptr在析構時要先原子減RefCount，如果WeakCount也為0還要再析構ControlBlock，那麼調用Deleter析構持有的對象時多一次跳轉也不算什麼，第二條pass。
既然shared_ptr並不擔心Deleter帶來的額外開銷，同時把Deleter作為模板類型的一部分還會導致使用上變複雜，那麼它隻把Deleter作為構造函數的類型就是顯然的事情了。
而unique_ptr采用了“空基類”的技巧，將Deleter作為基類，在用戶不指定Deleter時根本不占空間，第一條pass；用戶不指定Deleter時默認的Deleter會是default_delete，它的operator()在類的定義內，會被inline掉，這樣調用Deleter時也就沒有額外的開銷了，第二條pass。
因此unique_ptr通過上麵兩個技巧，成功的消除了默認Deleter可能帶來的額外開銷，保證了與原生指針完全相同的性能。代價就是Deleter需要是模板類型的一部分。
相關文檔
- 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是如何使用空基類技巧的
我們參考clang的實現來學習一下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中的各種成員函數，我們看到它隻有一個成員變量__ptr__，類型是__compressed_pair<pointer, deleter_type>。我們看看它是什麼，是怎麼省掉了Deleter的空間的。
template <class _T1, class _T2>
class __compressed_pair
: private __libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2> {
...
};
__compressed_pair沒有任何的成員變量，就說明它的秘密藏在了它的基類中，我們繼續看。
template <class _T1, class _T2, unsigned = __libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2>::value>
class __libcpp_compressed_pair_imp;
__libcpp_compressed_pair_imp有三個模板類型參數，前兩個是傳入的_T1和_T2，第三個參數是一個無符號整數，它是什麼？我們往下看，看到了它的若幹個特化版本：
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
{
...
};
看起來第三個參數有4種取值，分別是：
- 0: 沒有基類，兩個成員變量。
- 1: 有一個基類
_T1，和一個_T2類型的成員變量。 - 2: 有一個基類
_T2，和一個_T1類型的成員變量。 - 3: 有兩個基類
_T1和_T2，沒有成員變量。
__compressed_pair繼承自__libcpp_compressed_pair_imp<_T1, _T2>，沒有指定第三個參數的值，那麼這個值應該來自__libcpp_compressed_pair_switch<_T1, _T2>::value。我們看一下__libcpp_compressed_pair_switch是什麼：
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的三個bool模板參數的含義是：
-
_T1和_T2在去掉頂層的const和volatile後，是不是相同類型。 -
_T1是不是空類型。 -
_T2是不是空類型。
滿足以下條件的類型就是空類型：
- 不是union；
- 除了size為0的位域之外，沒有非static的成員變量；
- 沒有虛函數；
- 沒有虛基類；
- 沒有非空的基類。
可以看到，在_T1和_T2不同時，它們中的空類型就會被當作__compressed_pair的基類，就會利用到C++中的“空基類優化“。
那麼在unique_ptr中，_T1和_T2都是什麼呢？看前麵的代碼，_T1就是__pointer_type<_Tp, deleter_type>::type，而_T2則是Deleter，在默認情況下是default_delete<_Tp>。
我們先看__pointer_type是什麼：
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。這裏我們看到了__has_pointer_type，它是什麼？
namespace __has_pointer_type_imp
{
template <class _Up> static __two __test(...);
template <class _Up> static char __test(typename _Up::pointer* = 0);
}
簡單來說__has_pointer_type就是：如果_Up有一個內部類型pointer，即_Up::pointer是一個類型，那麼__has_pointer_type就返回true，例如pointer_traits::pointer，否則返回false。
大多數場景下_Dp不會是pointer_traits，因此__has_pointer_type就是false，__pointer_type<_Tp, deleter_type>::type就是_Tp*，我們終於看到熟悉的原生指針了！
_T1是什麼我們已經清楚了，就是_Tp*，它不會是空基類。那麼_T2呢？我們看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;
}
};
我們看到default_delete符合上麵說的空類型的幾個要求，因此_T2就是空類型，也是__compressed_pair的基類，在”空基類優化“後，_T2就完全不占空間了，隻占一個原生指針的空間。
而且default_delete::operator()是定義在default_delete內部的，默認是inline的，它在調用上的開銷也被省掉了！
遺留問題
-
__libcpp_compressed_pair_switch在_T1和_T2類型相同，且都是空類型時，為什麼隻繼承自_T1，而把_T2作為成員變量的類型？ -
unique_ptr與pointer_traits是如何交互的？
最後更新：2017-11-10 14:35:27