shared_ptr & weak_ptr (ppt 初版, dl 専用)

04/12/231

shared_ptr & weak_ptrくらいおらいと

http://twitter.com/Cryolite/

04/12/232

キーワードは所有 (ownership)

• “…, so keeping track of an object’s ownership is hard work.” – More Effective C++

• “Observe the canonical exception-safety rules: Always use the “RAII” idiom to resource ownership and management.” – Exceptional C++

• “Containers of raw pointers make manual ownership management tricky, so …” – Modern C++ Design

04/12/233

所有とは…

• 所有とは権利だ俺が所有しているものを勝手に捨てるな

• 所有とは義務だ1 回だけ，確実に，事後処理をしろ

04/12/234

所有を制するものが C++ を制する

• 所有の権利を主張しないと…「俺がまだ使っているのに捨てられた！」

=> Dangling pointer

• 所有の義務を果たしていないと…「誰も使ってないのに片付いていない！」

=> Memory Leak

04/12/235

所有の種類と例• 所有者がただ一人 , 所有者変更不可• 配列とその要素• クラスオブジェクトとメンバ変数• 関数スコープ ( の実行 ) と自動変数• プログラム ( の実行 ) と静的変数

• 所有者がただ一人 , 所有者変更可• std::auto_ptr• ( ムーブセマンティクス )

• 共有 – 所有者が複数• boost::shared_ptr

04/12/236

共有は難しい

04/12/237

共有は難しい

私が片付けましょう

04/12/238

共有は難しい

私が片付けましょういえいえ，ここは


04/12/239

共有は難しい

私が片付けましょういえいえ，ここは


え，ちょ，俺まだ使ってる

04/12/2310

shared_ptr – 共有を所有カウントで簡単・安全に扱う

1

共有されるもの

所有カウント

04/12/2311


2


所有カウント

04/12/2312


3


所有カウント

04/12/2313


4


所有カウント

04/12/2314


4


所有カウント所有カウントが 0 になったら片づけを実行

04/12/2315

所有カウントは所有の権利を保障する

1


所有カウント

所有の権利：誰かが所有していれば勝手に片付けるな

O.K.

04/12/2316

所有カウントは所有の義務を履行する

0


所有カウントが 0 になれば後片付け処理を実行

所有の義務：1 度だけ , 確実に , 片付け

所有カウント

O.K.

04/12/2317


4


所有カウント

04/12/2318


4


所有カウント

shared_ptr shared_ptr shared_ptr shared_ptr

04/12/2319

shared_ptr は所有 ( の義務と権利 ) とポインタだ

• ポインタとして動作する shared_ptrC++ の生ポインタと同じように動作

• 所有の権利を保障する shared_ptrポインタとして指しているものは生きている

• 所有の義務を履行する shared_ptr所有カウントが 0 になったら関数オブジェクト ( デリータ ) を実行

強いポインタ所有しているものとポインタが

指しているものを一致させる

delete だけじゃない

04/12/2320

shared_ptr の基本

{ shared_ptr<int> p(new int(42)); cout << *p << endl; shared_ptr<int> q = p; p.reset(); cout << *q << endl;}

04/12/2321


{ shared_ptr<int> p(new int(42)); cout << *p << endl; shared_ptr<int> q = p; p.reset(); cout << *q << endl;} ポインタとして動作

＋権利を保障 ( 参照外しが安全 )

04/12/2322


{ shared_ptr<int> p(new int(42)); cout << *p << endl; shared_ptr<int> q = p; p.reset(); cout << *q << endl;} ポインタとして動作

＋権利を保障 ( 参照外しが安全 )

義務を履行

04/12/2323

shared_ptr – int と同程度にスレッド安全

4


所有カウントカウントの変化は同期保護

shared_ptr shared_ptr shared_ptr shared_ptr

04/12/2324

所有カウントは循環所有を扱えない

１

１

所有

所有

所有カウントが永遠に非 0

04/12/2325

発表終わり

04/12/2326

shared_ptr の重要なデザインゴール

• ポインタと同等の型互換性 / バイナリ互換性

• 非侵入性 – あなたのクラス定義に変更なし

所有の共有・受け渡しを表現する

標準インタフェイスの確立

所有の共有・受け渡しを表現する

標準インタフェイスの確立

04/12/2327

オレオレスマートポインタvoid processX(shared_ptr<X> px);

oreore_ptr<X> px(new X(…));processX(px); // コンパイルエラー

04/12/2328


template<class P> struct D { P p_; void operator()(void const *) { p_.reset(); }};

oreore_ptr<X> px(new X(…));shared_ptr<X> qx(px.get(), D<oreore_ptr<X> >(p

x));processX(qx);

04/12/2329


template<class P> struct D { P p_; void operator()(void const *) { p_.reset(); }};

oreore_ptr<X> px(new X(…));shared_ptr<X> qx(px.get(), D<oreore_ptr<X> >(p

x));processX(qx);

「所有」は型に現れない＝

コンストラクタで「所有」が決まる

shared_ptr の「所有」は型に現れない

ポイント 2

ポイント 1

04/12/2330

所有しないvoid processX(shared_ptr<X> px);

static X x; // 静的変数

struct NullDeleter { void operator()(void *){}};

shared_ptr<X> px(&x, NullDeleter());processX(px);

04/12/2331

所有しないvoid processX(shared_ptr<X> px);

static X x; // 静的変数

Struct NullDeleter { void operator()(void *){}};

shared_ptr<X> px(&x, NullDeleter());processX(px);shared_ptr<X> px2(new X());processX(px2);

「所有」は型に現れない＝

コンストラクタで「所有」が決まる

shared_ptr の「所有」は型に現れない

ポイント 2

ポイント 1

04/12/2332

バイナリ境界を越える

int main(){ int *p = new int(42); f(p); p = 0; .....}

void f(int *p){ ..... ..... delete p;}

a.exe ( デバッグビルド ) b.dll ( リリースビルド )

異なるコンパイル設定の new と delete の組み合わせは環境によってはダウト

04/12/2333


int main(){ shared_ptr<int> p(new int(4

2)); f(p); p.reset(); .....}

void f(shared_ptr<int> p){ ..... ..... p.reset();}


04/12/2334



2)); f(p); p.reset(); .....}



デバッグビルドの delete をここで設定

04/12/2335



2)); f(p); p.reset(); .....}



デバッグビルドの delete をここで設定デバッグビルドの delete が呼び出され

る

04/12/2336



2)); f(p); p.reset(); .....}



デバッグビルドの delete が呼び出される

デバッグビルドの delete をここで設定

どの delete が設定されていようがバイナリ互換性を維持

04/12/2337

所有だけの shared_ptr

shared_ptr<int> p(new int(42)); // (A)

shared_ptr<void> q = p;p.reset();// 以下， (A) で生成した int は q が所有

04/12/2338

shared_ptr<void> による遅延解放

// HeavyToDispose は削除のコスト大shared_ptr<HeavyToDispose> px(…);…// ここで削除して処理が止まると困る…px.reset();

04/12/2339

shared_ptr<void> による遅延解放vector<shared_ptr<void> > to_be_disposed;

shared_ptr<HeavyToDispose1> px(…);shared_ptr<HeavyToDispose2> py(…);…// ここで削除して処理が止まると困る…to_be_disposed.push_back(px); px.reset();to_be_disposed.push_back(py); py.reset();…// 適当なタイミング or 別スレッドで// to_be_disposed.clear() を実行

04/12/2340

weak_ptr

4, 2


所有カウント

shared_ptr shared_ptr

shared_ptr shared_ptrweak_ptr

weak_ptr

弱いカウント

04/12/2341

weak_ptr

0, 2


所有カウント



weak_ptr

弱いカウント

04/12/2342

weak_ptr

0, 2


所有カウント

weak_ptr

weak_ptr

弱いカウント

所有カウントが 0 になったら片づけを実行

04/12/2343

weak_ptr

0, 2所有カウント

weak_ptr

weak_ptr

弱いカウント

04/12/2344

weak_ptr


weak_ptr

weak_ptr

弱いカウント

04/12/2345

weak_ptr

0, 0

weak_ptr

weak_ptr

弱いカウントが 0 になったらカウントオブジェクトを片付け

04/12/2346

weak_ptr にできること – その 1

4, 2


所有カウント



weak_ptr

弱いカウント

「所有カウントが 0 かどうか？」に答える

weak_ptr::expired == false

04/12/2347



weak_ptr

weak_ptr

弱いカウント

「所有カウントが 0 かどうか？」に答える

weak_ptr::expired == true

04/12/2348



weak_ptr

weak_ptr

弱いカウント

「所有カウントが 0 かどうか？」に答える＝

「対象が死んでいるかどうか？」に答える

04/12/2349


1, 2


所有カウント

shared_ptr

weak_ptrweak_ptr

弱いカウント

対象が生きていたら，それを所有する shared_ptr を作り出せる

04/12/2350


2, 2


所有カウント

shared_ptr

weak_ptrweak_ptr

弱いカウント

shared_ptr

対象が生きていたら，それを所有する shared_ptr を作り出せる

04/12/2351



weak_ptrweak_ptr

弱いカウント

対象が死んでいたら空の shared_ptr しか取り出せない

04/12/2352



weak_ptrweak_ptr

弱いカウント

shared_ptr

対象が死んでいたら空の shared_ptr しか取り出せない

04/12/2353

weak_ptr にできることのまとめ

• 「対象が生きているかどうか？」を答えるプロクシ

• 対象が生きていたら shared_ptr に格上げ可能

04/12/2354

weak_ptr の基本shared_ptr<int> p(new int(42)); // (A)weak_ptr<int> wp = p;cout << wp.expired() << endl; // => “false”shared_ptr<int> q = wp.lock();cout << *q << endl; // => “42”, q も所有p.reset(); q.reset(); // (A) の int を解放cout << wp.expired() << endl; // => “true”shared_ptr<int> r = wp.lock();assert(r == 0);

04/12/2355

生ポインタから shared_ptr を取得したい

void Framework::onEvent(X *p){ // *p を所有する shared_ptr を取りたい}

04/12/2356

this への shared_ptrstruct X { shared_ptr<X> this_; // this への shared_

ptr shared_ptr<X> getShared(){ return this_; }};

void Framework::onEvent(X *p){ shared_ptr<X> px = p->getShared();}

04/12/2357

this への shared_ptr はダメstruct X { shared_ptr<X> this_; // this への shared_



04/12/2358

this への shared_ptr はダメstruct X { shared_ptr<X> this_; // this への shared_



X

X::shared_ptr this_

クラスオブジェクトはメンバ変数を所有所有

Q. なぜダメか？

A. 所有が循環しているのでダメ

04/12/2359

weak_ptr の使い方 – this への weak_ptrstruct X { weak_ptr<X> this_; // this への weak_ptr shared_ptr<X> getShared(){ return this_; }};


04/12/2360

weak_ptr の使い方 – this への weak_ptrstruct X { weak_ptr<X> this_; // this への weak_ptr shared_ptr<X> getShared(){ return this_; }};


参考： boost::enable_shared_from_this

04/12/2361

Observer (Publisher/Subscriber)

04/12/2362

Observer でよくある事故

04/12/2363

Observer でよくある事故

死んだオブジェクトにアクセス

04/12/2364

安全な Observer

• 死んだオブジェクトにイベントを通知しない• イベント通知中に subscriber を解放させない

04/12/2365

安全な Observer

void Publisher::subscribe(function<void ()> call_back, weak_ptr<void> wp);

shared_ptr<Subscriber1> p…Publisher::subscribe( bind(&Subscriber1::notifyEvent, p.get()), p);

04/12/2366

安全な Observer

weak_ptr<void> wp…; // subscriber への weak_ptrif (shared_ptr<void> p = wp.lock()) { call_back();}

04/12/2367

安全な Observer

… ということが Boost.Signal2 で出来ます鍵は weak_ptr<void> & shared_ptr<void>

04/12/2368

オブジェクト間グローバルマッピング

a

b

c

share_ptr

share_ptr

share_ptr share_ptr

04/12/2369


a

b

c

map<void *, Y> g_map; // グローバル

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

share_ptr share_ptr

04/12/2370


a

b

c

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr share_ptr

share_ptr

c が消えると…


04/12/2371


a

b

c

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr share_ptr

share_ptr

c が消えると… 無駄なマップエントリ( デッドマップ ) が発生


04/12/2372

策 1. キーを weak_ptr にして適度にクリーンアップ

a

b

c

map<weak_ptr<void>, Y> g_map;

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

04/12/2373


a

b

c


y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

// 以下を適度に実行for (auto i = g_map.begin(); i != g_map.en

d();) { if (i->first.expired()) g_map.erase(i++); else ++i;}

04/12/2374


a

b

c


y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

デッドマップが適度に解消される

04/12/2375

策 2. マップエントリも所有する

a

b

c

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

share_ptr share_ptr

map<void *, Y>

04/12/2376


a

b

c

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

share_ptr share_ptr

map<void *, Y>

struct D{ map<void *, Y> &m_; void operator()(void *p){ m_.erase(p); delete p; }};

D d(g_map);shared_ptr<C> pc(new C(), D(g_map));g_map.insert(make_pair(pc.get(), Y(…)));

04/12/2377


a

b

c

map<void *, Y>

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

share_ptr share_ptr

c を所有する shared_ptr がなくなると…

04/12/2378


a

b

c

unordered_map<void const *, Y>

y1

y2

y3

share_ptr

share_ptr

share_ptr share_ptr

c を所有する shared_ptr がなくなると…

c をキーとするエントリも自動で erase

04/12/2379

循環所有を何とかする// こういうことがしたいshared_ptr<X> px = …;shared_ptr<Y> py = …;

pyy = px->getSharedY(); // X が Y を所有？assert(pyy == py);

pxx = py->getSharedX(); // Y が X を所有？assert(pxx == px);

04/12/2380




X Y

所有

所有

？

04/12/2381




X Y

shared_ptr

所有所有

04/12/2382




X Y

shared_ptr

所有所有ポイント

shared_ptr<X>

04/12/2383




X Y

shared_ptr

所有所有

shared_ptr<Y>

ポイント

04/12/2384




X Y

shared_ptr

所有所有

shared_ptr<Y>

ポイント

04/12/2385

まとめ• C++ では所有が重要• shared_ptr は所有者が複数居る場合に

– 所有カウントで簡単・安全に動作– 動的デリータによる高い互換性を維持

• weak_ptr– 「生きているかどうか」を答えるプロキシ– shared_ptr に格上げして一時的に所有

• shared_ptr / weak_ptr で楽しい C++ ライフ

shared_ptr & weak_ptr (ppt 初版, dl 専用)

Technology