深入对比：Chromium的base::RefCounted与std::shared_ptr——从线程安全到性能优化

1. 引言：为什么需要对比两者？

在现代C++开发中，引用计数（Reference Counting）是一种常见的内存管理技术，用于自动管理对象的生命周期。C++标准库提供了std::shared_ptr作为通用的引用计数智能指针，而Chromium项目则自定义了一套引用计数系统（base::RefCounted和base::RefCountedThreadSafe）。

为什么Chromium不直接使用std::shared_ptr？

1. 性能优化：Chromium对内存和CPU效率要求极高，std::shared_ptr的全局原子操作可能带来不必要的开销。

2. 线程模型控制：Chromium的线程模型（如UI线程、IO线程、GPU线程）需要更细粒度的线程安全控制。

3. 内存占用优化：std::shared_ptr的控制块（Control Block）会增加额外内存开销，而Chromium的base::RefCounted将引用计数直接嵌入对象，减少内存占用。

本文将深入对比base::RefCounted（Chromium风格）和std::shared_ptr（C++标准库）的设计差异，涵盖线程安全、性能优化、内存模型、功能扩展等方面，帮助开发者理解它们的适用场景。

2. 线程安全性：最关键的差异

2.1 base::RefCountedThreadSafe（线程安全版本）

Chromium提供了两种引用计数模板：

• base::RefCounted（非线程安全，引用计数无原子保护）

• base::RefCountedThreadSafe（线程安全，引用计数使用原子操作）

关键特点

1. 仅保证引用计数的原子性

   • AddRef()和Release()使用std::atomic保证线程安全。

   • 但对象的析构仍需开发者控制（通常需回到创建线程析构，避免竞态条件）。

2. 适用于跨线程共享对象

   • 例如网络模块、异步任务等需要多线程访问的场景。

示例代码

class NetworkResource : public base::RefCountedThreadSafe<NetworkResource> {
 public:
  void Fetch() { /* 跨线程操作 */ }
};

// 跨线程传递
scoped_refptr<NetworkResource> resource = base::MakeRefCounted<NetworkResource>();
io_thread.PostTask(FROM_HERE, base::BindOnce(&NetworkResource::Fetch, resource));

2.2 std::shared_ptr（全局线程安全）

std::shared_ptr的设计目标是通用性，因此它的线程安全策略更加严格：

1. 控制块（Control Block）完全线程安全

   • 强引用计数、弱引用计数、删除器（Deleter）均使用原子操作。

2. 对象析构可能发生在任意线程

   • 最后一个shared_ptr释放时，对象析构可能不在创建线程（可能影响线程局部存储）。

示例代码

auto resource = std::make_shared<NetworkResource>();
std::thread([resource] { 
  resource->Fetch();  // 可能在任何线程析构
}).detach();

2.3 对比总结

关键结论：

• 如果需要在特定线程析构对象（如UI线程），base::RefCountedThreadSafe更合适。

• 如果希望自动管理析构线程，std::shared_ptr更方便，但可能牺牲性能。

3. 性能优化：内存与原子操作开销

3.1 内存占用对比

std::shared_ptr的内存布局

+-------------------+      +-------------------+
| shared_ptr<T>     | ---> | Control Block      |
| - 对象指针        |      | - 强引用计数       |
+-------------------+      | - 弱引用计数       |
                           | - 删除器           |
                           | - 对象内存（可选） |
                           +-------------------+

• 如果使用new T + shared_ptr，对象和控制块分开分配（2次内存分配）。

• 如果使用make_shared，对象和控制块可能合并（1次分配）。

base::RefCounted的内存布局

+-------------------+
| RefCounted<T>     |
| - ref_count_      |  // 引用计数直接存储在对象内
| - 其他成员        |
+-------------------+

• 无额外控制块，内存更紧凑。

3.2 原子操作开销

性能影响：

• 原子操作（如fetch_add）比普通操作慢约2-10倍（取决于CPU架构）。

• Chromium的base::RefCounted允许在单线程场景禁用原子操作，提升性能。

4. 功能扩展：弱引用与循环引用处理

4.1 std::shared_ptr的weak_ptr机制

std::weak_ptr用于解决循环引用问题，例如：

struct Node {
  std::shared_ptr<Node> next;
  std::weak_ptr<Node> prev;  // 避免循环引用
};

• 优点：自动检测对象是否存活，避免内存泄漏。

• 缺点：控制块需额外维护弱引用计数，增加内存开销。

4.2 Chromium的替代方案

Chromium未内置弱引用，但提供了base::WeakPtrFactory：

class Document : public base::RefCounted<Document> {
 public:
  base::WeakPtr<Document> GetWeakPtr() { 
    return weak_factory_.GetWeakPtr(); 
  }
 private:
  base::WeakPtrFactory<Document> weak_factory_{this};
};

• 缺点：需手动管理，不如weak_ptr方便。

• 优点：无额外控制块，内存更高效。

5. 设计哲学：为何Chromium选择自定义实现？

1. 极致性能优化

   • 浏览器对内存和CPU敏感，std::shared_ptr的通用性带来额外开销。

2. 明确线程模型

   • Chromium的线程任务需精细控制（如UI线程仅允许特定操作）。

3. 减少依赖

   • 自定义实现避免受标准库实现的限制（如ABI兼容性问题）。

6. 最佳实践：如何选择？

7. 总结

最终建议：

• 如果是Chromium开发或高性能中间件，优先使用base::RefCounted。

• 如果是通用C++项目，std::shared_ptr更方便。

延伸阅读：

• Chromium RefCounted源码分析

• C++标准库shared_ptr实现