Android智能指针

网上已经有很多分析智能指针的文章了,讲得不错的是: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。本文尽量从不分析代码的角度,将Android中的智能指针原理讲述清楚。

用过Java的同学从来不会关心对象的释放问题,但是C/C++里面有一个Java里面没有的概念:指针。指针其实就是内存地址。当我们通过一些方式(new malloc等)在内存中分配了空间时,我们将获得一个指向这个空间的指针。这块空间如果我们不主动释放,它将永远不会被回收直到程序结束。

智能指针其实就是帮我们管理这种内存空间,自动做到:不用了就释放掉。这里面有一个问题:它如何知道我们不用了?智能指针的解决方案是维护一个计数器。在合适的时候增加计数器(构造函数),在合适的时候减少计数器(析构函数)。这样就巧妙利用了对象的生命周期来维护了计数器,当计数器为0,那就表示我们不用它了。

Android的指针指针比上面说的强大,它分为几种:轻量级智能指针、强智能指针、弱智能指针。

轻量级智能指针: 其实就是最简单最常规的智能指针:构造器中增加计数器,析构器中减少计数器,当计数器为0,释放对象。

强智能指针和弱智能指针: Android中分别为强智能指针和弱智能指针维护了一个计数器。通常我们通过强智能指针使用对象,而弱智能指针对需要提升为强智能指针后才可以使用。

当我们构造一个强智能指针时,它会同时增加强计数器和弱技术器,同样的,当析构时,它会同时减少强计数器和弱计数器。

当我们构造一个弱智能指针时,它只会增加弱计数器,同样的,当析构时,它只会减少弱计数器。

Android的智能指针还有一套释放策略:你可以指定flag,是以强计数器为参考来释放,还是以弱计数器为参考来释放,或者什么都不参考(forever不释放)。

当以强计数器为参考时:强计数器为0,对象就被释放。

当以弱计数器为参考时:强计数器为0,对象不被释放,假如弱计数器不为0,你还可以通过弱智能指针提升为强智能指针,然后正常使用。当最后弱智能指针为0,对象被释放。

当什么都不参考时(forever): 不管计数器是什么值,对象都不会被自动释放,这样就退化成为没有使用智能指针一样,需要你自己手动释放。

ok,上面就是Android智能指针原理,具体使用方式参考老罗的例子就可以上手。

下面说一处在阅读源码时遇到的一个问题:在维护计数器时,通过android_atomic_add进行原子操作:

Paste_Image.png

一开始看着有些犯糊涂,经过查阅资料,算是弄明白了。

上面代码中的宏ANDROID_ATOMIC_INLINE的定义是:

#define ANDROID_ATOMIC_INLINE inline _attribute_((always_inline))

实际上就是把函数规定为inline函数(函数本身被定义为 inline,但是在编译器不做优化的情况下,不会被inline处理,加上_attribute_((always_inline))后,编译器即使在不优化的情况下,也要做inline处理)。

android_memory_barrier是告诉CPU这里需要内存屏障。

接下来是一段内嵌汇编,这段汇编可以用伪代码来表示:

do {

  ldrex  prev,[ptr]

  add  tmp,  prev,  increment

  strex  status,  tmp, [ptr]

} whiile(status != 0)

在add指令的前后有两条看上去比较陌生的指令:ldrex和strex。这两条是AMRV6新引入的同步指令。ldrex指令的作用是把指针ptr指向的内容放到prev变量中,同时给执行处理器做一个标记(tag),标记上指针ptr的地址,表示这个内存地址已经有一个CPU正在访问。当执行到strex指令时,它会检查是否存在ptr的地址标记,如果标记存在,strex指令会把add指令执行的的结果写入指针ptr指向的地址,并且返回0,然后清除该标记。返回的结果0会放在status变量中,这样循环将结束。

如果在strex指令执行前发生了线程的上下文切换,在切换回来后,ldrx指令设置的标志将会被清除。这时再执行strex指令时,由于没有了这个标志,strex指令将不会完成对ptr指针的存储操作,而且status变量中的返回结果是1。这样循环不能结束,重新开始执行,直到成功为止。

__builtin_expect是gcc的内建函数,有两个参数,第一个参数是一个表达式,第二个参数是一个值。表达式的计算结果也是函数的结果。__builtin_expect是用来告诉gcc预测表达式更可能的值是什么,这样gcc会根据预测值来优化代码。代码中表达的含义是预测“status!=0”这个表达式的值为“0”,也就是预测while循环将结束。

综上,android_atomic_add实现的功能是:首先整个方法是原子操作,然后将*ptr中的原值保存作为函数返回值,同时将increment和*ptr相加,保存在ptr中。

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