C ++ weak_ptr创建性能

Question

我已经读过创建或复制std :: shared_ptr涉及一些开销（引用计数器的原子增量等）。

但是如何从它创建一个std :: weak_ptr：

Obj * obj = new Obj();
// fast
Obj * o = obj;
// slow
std::shared_ptr<Obj> a(o);
// slow
std::shared_ptr<Obj> b(a);
// slow ?
std::weak_ptr<Obj> c(b);

我希望在一些更快的性能，但我知道共享指针仍然必须递增弱引用计数器..所以这仍然像将shared_ptr复制到另一个慢？

Answer 1

这是我与游戏引擎的日子

故事如下：

我们需要一个快速的共享指针实现，不会破坏缓存（缓存现在更聪明btw）

正常指针：

XXXXXXXXXXXX....
^--pointer to data

我们的共享指针：

iiiiXXXXXXXXXXXXXXXXX...
^   ^---pointer stored in shared pointer
|
+---the start of the allocation, the allocation is sizeof(unsigned int)+sizeof(T)

用于计数的unsigned int*位于((unsigned int*)ptr)-1

这样一个“共享指针”是指针大小，它包含的数据是指向实际数据的指针。 所以（因为template => inline而且任何编译器都会内联一个运算符返回一个数据成员）它与普通指针的访问权限相同。

创建指针需要比正常情况多3个CPU指令（访问位置-4正在运行，添加1和写入位置-4）

现在我们在调试时只使用弱指针（因此我们使用DEBUG定义（宏定义）进行编译）因为那时我们希望看到所有的分配和最新情况等等。 这很有用。

弱指针必须知道他们指向的东西何时消失，不要保持他们指向的东西（在我的情况下，如果弱指针保持分配活着，引擎永远不会回收或释放任何记忆，那么它基本上是无论如何共享指针）

所以每个弱指针都有一个bool， alive或者什么东西，并且是shared_pointer的朋友

调试我们的分配时看起来像这样：

vvvvvvvviiiiXXXXXXXXXXXXX.....
^       ^   ^ the pointer we stored (to the data)
|       +that pointer -4 bytes = ref counter
+Initial allocation now 
    sizeof(linked_list<weak_pointer<T>*>)+sizeof(unsigned int)+sizeof(T)

您使用的链表结构取决于您关注的内容，我们希望保持尽可能接近sizeof（T）（我们使用伙伴算法管理内存），因此我们存储了指向weak_pointer的指针并使用了xor技巧。 ... 美好时光。

无论如何：指向shared_pointers指向的东西的弱指针放在一个列表中，以某种方式存储在上面的“v”中。

当引用计数达到零时，您将浏览该列表（这是指向实际weak_pointers的指针列表，当它们显然被删除时它们将自行删除）并且您将alive = false（或其他内容）设置为每个weak_pointer。

weak_pointers现在知道他们指向的东西不再存在（所以在被引用时扔掉了）

在这个例子中

没有开销（系统的对齐是4个字节.64位系统往往喜欢8个字节的对齐....在那里将ref-counter与int [2]结合在一起以填充它。记住这个涉及到新闻（没有人投票，因为我提到它们：P）等等。你需要确保你对分配施加的struct与你分配和制作的struct相匹配。编译器可以自己对齐东西（因此int [2]不是int， INT）。

您可以完全取消引用shared_pointer，而不需要任何开销。

正在制作的新共享指针根本不会破坏缓存并且需要3个CPU指令，它们不是很容易管道但是编译器总是会内联getter和setter（如果不是总是：P）那么'将成为可以填充管道的呼叫站点周围的东西。

共享指针的析构函数也很少（递减，就是这样），所以很棒！

高性能笔记

如果你有这样的情况：

f() {
   shared_pointer<T> ptr;
   g(ptr);
}

无法保证优化器不敢通过“按值”将shared_pointer传递给g来进行加法和减法。

这是您使用普通引用（实现为指针）的地方

所以你要做g(ptr.extract_reference()); 相反 - 编译器将再次内联简单的getter。

现在你有一个T＆，因为ptr的范围完全包围g（假设g没有副作用等等），该引用在g的持续时间内有效。

删除引用是非常难看的，你可能不会偶然做到（我们依赖这个事实）。

事后来看

我本应该创建一个名为“extracted_pointer”的类型，或者很难为类成员输入错误的类型。

stdlib ++使用的弱/共享指针

http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/manual/shared_ptr.html

不是那么快......

但是不要担心奇怪的缓存未命中，除非你制作一个游戏引擎没有运行不错的工作量> 120fps：P仍然比Java更好。

stdlib方式更好。 每个对象都有自己的分配和工作。 使用我们的shared_pointer这是一个真实的例子，“相信我的工作，不要担心如何”（不是很难），因为代码看起来非常混乱。

如果你解除了......他们对他们实现中的变量名称做了什么，它会更容易阅读。 参见Boost的实现，正如文档中所述。

除了变量名之外，GCC stdlib实现很可爱。 你可以很容易地阅读它，它可以正常工作（遵循OO原则）但速度稍慢，并且可能会在最近蹩脚的芯片上破坏缓存。

UBER高性能笔记

您可能在想，为什么不拥有XXXX...XXXXiiii （最后的引用计数）然后您将得到最好的分配器对齐！

回答：

因为必须做pointer+sizeof(T)可能不是一个CPU指令！ （减去4或8是CPU可以轻松完成的事情，因为它有意义，它会做很多事情）

Answer 2

除了Alec对他之前项目中使用的shared / weak_ptr系统的非常有趣的描述之外，我还想详细介绍一下典型的std::shared_ptr/weak_ptr实现可能发生的事情：

// slow
std::shared_ptr<Obj> a(o);

上述结构的主要费用是分配一块内存来保存两个引用计数。 这里不需要进行原子操作（除了在operator new下执行可能会或可能不会执行的operator new ）。

// slow
std::shared_ptr<Obj> b(a);

复制构造中的主要开销通常是单个原子增量。

// slow ?
std::weak_ptr<Obj> c(b);

这个weak_ptr构造函数的主要开销通常是单个原子增量。 我希望这个构造函数的性能几乎与shared_ptr复制构造函数的性能相同。

另外两个要注意的重要构造函数是：

std::shared_ptr<Obj> d(std::move(a));  // shared_ptr(shared_ptr&&);
std::weak_ptr<Obj> e(std::move( c ));  // weak_ptr(weak_ptr&&);

（以及匹配的移动赋值运算符）

移动构造函数根本不需要任何原子操作。 他们只是将引用计数从rhs复制到lhs，并使rhs == nullptr。

仅当赋值之前的lhs！= nullptr时，移动赋值运算符才需要原子递减。 大部分时间（例如在vector<shared_ptr<T>> ）移动赋值之前的lhs == nullptr，因此根本没有原子操作。

后者（ weak_ptr移动成员）实际上不是C ++ 11，而是由LWG 2315处理。 但是我希望它已经被大多数实现实现（我知道它已经在libc ++中实现）。

当在容器中搜索智能指针时，例如在vector<shared_ptr<T>>::insert/erase ，将使用这些移动成员，并且与使用智能指针复制成员相比，可以产生可测量的积极影响。

我指出它，以便你知道如果你有机会移动而不是复制一个shared_ptr/weak_ptr ，那么输入一些额外的字符是值得的。