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。