[置顶] Android 上C++对象的自动回收机制分析

1.       背景

C++没有像Java那样的内建的对象自动回收机制，new创建的对象没有delete，会一直存在于内存中。对象已经不再使用，但是如果忘记 delete，会造成内存资源的泄露。在实际开发过程中，分析内存泄露是一件很棘手的事情。本文基于Android2.2系统源码，对Android的 C++对象自动回收机制进行分析。

2.       引用计数和智能指针

Android上C++对象实现自动释放的机制是使用引用计数+智能指针。对象的生命周期通过引用计数来管理，当引用计数>0时，对象不会被释放；当引用计数=0时，释放该对象。

使用对象的方式是通过智能指针引用该对象，智能指针也是C++对象，利用C++的构造析构自动调用的特性，在构造函数中将对象的引用计数加1，析构函数中减1，当计数减为0时delete该对象，这样通过智能指针+引用计数就实现了对象的自动化管理。

下面通过代码分析具体实现过程。

3.       RefBase

Android中C++类一般都会直接或间接继承RefBase类，RefBase类有一个成员变量mRefs，mRefs是 weakref_impl类型，weakref_impl记录着引用计数、目标对象（通过引用计数管理的对象）指针和符号位。通过继承RefBase，使 类具有引用计数的功能。

1 weakref_impl* const mRefs;

weakref_impl的定义：

1 class RefBase::weakref_impl : public RefBase::weakref_type
2 {
3 public:
4     volatile int32_t    mStrong;  // 强引用计数
5     volatile int32_t    mWeak;  // 弱引用计数
6     RefBase* const    mBase;  // 目标对象
7 volatile int32_t    mFlags;  // 标志位，初始是OBJECT_LIFETIME_STRONG
8 …
9 };

在RefBase的构造函数中，mRefs指向了创建的weakref_impl对象。因此，继承了RefBase的对象都会包含一个weakref_impl对象。

1 RefBase::RefBase()
2
3     : mRefs(new weakref_impl(this))
4
5 {};

4.       强引用计数和弱引用计数

在讨论智能指针前我们先考虑这样一种情况。假设A对象是由MA模块来创建和销毁的，MB模块的B对象增加A对象的引用计数来使用A对象，有一种情况 是：MA模块比MB模块提前被销毁，由于B对象使用着A，A的引用计数不为0，则A不会被销毁。在MA销毁后B继续使用A，假设A使用了MA模块的其他对 象或者资源，这时就会出问题，因为MA模块的其他对象或者资源已经销毁了。

为了解决上述问题，引用计数细分为强引用计数和弱引用计数。一般情况下，强引用计数控制着对象生命周期，如果强引用计数减为0时目标对象自动析构，即使弱引用计数不为0。弱引用计数后面介绍。

5.       sp和wp

前面说过，智能指针管理着对象的引用计数，Android中智能指针的实现是sp和wp。sp是strong pointer，wp是weak pointer。sp增加引用计数会分别将强引用计数和弱引用计数+1，wp增加引用计数时只会讲弱引用计数+1,。因此，弱引用计数总是 >= 强引用计数。sp可以保证目标对象一直是有效的，但wp不能保证，因此wp不能直接调用目标对象的方法，wp需要提升为sp后才能调用目标对象的方法。所 以wp没有提供指针操作符重载方法（operator* ()和operator->）。

sp和wp分别定义在

frameworks/base/include/utils/StrongPointer.h和frameworks/base/include/utils/RefBase.h文件。

sp对象构造调用incStrong

01 template<typename T>
02
03 sp<T>::sp(T* other)
04
05 : m_ptr(other)
06
07   {
08
09     if (other) other->incStrong(this);
10
11   }

incStrong将mStrong和mWeak分别加1，mStrong的值从INITIAL_STRONG_VALUE改为1

01 void RefBase::incStrong(const void* id) const
02 {
03     weakref_impl* const refs = mRefs;
04     refs->incWeak(id); // mWeak += 1
05     const int32_t c = android_atomic_inc(&refs->mStrong); // mStrong += 1
06     …
07     if (c != INITIAL_STRONG_VALUE)  {
08         return;
09     }
10     …
11     android_atomic_add(-INITIAL_STRONG_VALUE, &refs->mStrong);
12 }

sp对象析构调用decStrong

1 template<typename T>
2 sp<T>::~sp()
3 {
4     if (m_ptr) m_ptr->decStrong(this);
5 }

decStrong分别将mStrong和mWeak 减1，mStrong减为0时。如果mFlags的OBJECT_LIFETIME_STRONG被设置，调用delete this;析构目标对象。OBJECT_LIFETIME_STRONG是默认的情况，后面讨论。

01 void RefBase::decStrong(const void* id) const
02 {
03     …
04     const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong); // mStrong += 1
05     …
06 if (c == 1) {
07 …
08         if ((refs->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
09             delete this;
10         }
11     }
12     refs->decWeak(id); // mWeak -= 1
13 }

wp对象的构造和析构过程也是类似的，构造时mWeak加1，析构时mWeak减1

6.       wp提升为sp的过程

wp对象调用promote方法返回sp对象，如果sp指向的对象已经销毁，promote返回NULL

1 template<typename T>
2 sp<T> wp<T>::promote() const
3 {
4     sp<T> result;
5     if (m_ptr && m_refs->attemptIncStrong(&result)) {
6        result.set_pointer(m_ptr);
7     }
8     return result;
9 }

可以将wp提升为sp的三种情况：

1、  没有sp指向目标对象且mStrong == INITIAL_STRONG_VALUE

2、  没有sp指向目标对象且mStrong == 0 且mFlags == OBJECT_LIFETIME_WEAK

3、有sp指向目标对象

attemptIncStrong()代码说明了上面的三种情况

01 bool RefBase::weakref_type::attemptIncStrong(const void* id)
02
03 {
04
05     incWeak(id);
06
07     weakref_impl* const impl = static_cast<weakref_impl*>(this);
08
09     int32_t curCount = impl->mStrong;
10
11     LOG_ASSERT(curCount >= 0, "attemptIncStrong called on %p after underflow",
12
13                this);
14
15     while (curCount > 0 && curCount != INITIAL_STRONG_VALUE) {
16
17         if (android_atomic_cmpxchg(curCount, curCount+1, &impl->mStrong) == 0) {
18
19             break;
20
21         }
22
23         curCount = impl->mStrong;
24
25     }
26
27     if (curCount <= 0 || curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
28
29         bool allow;
30
31         if (curCount == INITIAL_STRONG_VALUE) {
32
33             // Attempting to acquire first strong reference...  this is allowed
34
35             // if the object does NOT have a longer lifetime (meaning the
36
37             // implementation doesn't need to see this), or if the implementation
38
39             // allows it to happen.
40
41             allow = (impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) != OBJECT_LIFETIME_WEAK
42
43                   || impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id);
44
45         } else {
46
47             // Attempting to revive the object...  this is allowed
48
49             // if the object DOES have a longer lifetime (so we can safely
50
51             // call the object with only a weak ref) and the implementation
52
53             // allows it to happen.
54
55             allow = (impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_WEAK
56
57                   && impl->mBase->onIncStrongAttempted(FIRST_INC_STRONG, id);
58         }
59         if (!allow) {
60             decWeak(id);
61             return false;
62         }
63
64         curCount = android_atomic_inc(&impl->mStrong);
65         …
66
67         }
68     }
69     impl->addStrongRef(id);
70
71     …
72
73     return true;
74
75 }

7.       weakref_impl对象标志位的作用

当mFlags 为OBJECT_LIFETIME_STRONG 时，强引用计数为0时，销毁对象

当mFlags为OBJECT_LIFETIME_WEAK时，强引用计数为0时，不销毁对象，弱引用减为0时，才销毁对象，由于弱引用计数 >= 强引用计数，所以OBJECT_LIFETIME_WEAK延长了对象的存在时间，下面的代码说明了这种情况。当mWeak == 0 且 mFlags == OBJECT_LIFETIME_WEAK时，释放目标对象。

01 void RefBase::weakref_type::decWeak(const void* id)
02 {
03 const int32_t c = android_atomic_dec(&impl->mWeak);
04 if (c != 1) return;
05          if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_WEAK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
06         …
07     } else {
08         // less common case: lifetime is OBJECT_LIFETIME_{WEAK|FOREVER}
09         impl->mBase->onLastWeakRef(id);
10         if ((impl->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_WEAK) {
11             // this is the OBJECT_LIFETIME_WEAK case. The last weak-reference
12             // is gone, we can destroy the object.
13             delete impl->mBase;
14         }
15     }
16 }

8.       其他特性

RefBase提供了以下四个重载方法，子类可以继承实现，以便跟踪引用计数的变化情况。

1 // 当mStrong从INITIAL_STRONG_VALUE更改为1时，该方法被调用
2 virtual void            onFirstRef();
3 // 当mStrong从减为0时，该方法被调用
4 virtual void            onLastStrongRef(const void* id);
5 // 控制是否允许将wp提升为sp，返回true表示允许
6 virtual bool            onIncStrongAttempted(uint32_t flags, const void* id)
7 // 当mWeak减为0时且mFlags == OBJECT_LIFETIME_WEAK，该方法被调用
8 virtual void            onLastWeakRef(const void* id);

9.       总结

RefBase为C++对象提供了引用计数，sp和wp通过管理引用计数，达到自动控制目标对象生存期的目的。