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C++中shared_ptr 是线程安全的吗？

news 2025/7/7 8:50:17

在 C++ 中，shared_ptr 的线程安全性和实现原理可以通过以下方式通俗理解：

1. `shared_ptr` 是线程安全的吗？

答案：部分安全，需分场景！

安全的操作：
- 引用计数的增减：多个线程同时复制或销毁指向同一对象的 shared_ptr 时，内部的引用计数是原子操作，线程安全。
- 控制块的读写：管理引用计数的控制块（Control Block）本身是线程安全的。
不安全的操作：
- 同一 shared_ptr 实例的修改：如果多个线程直接对同一个 shared_ptr 对象进行写操作（如 reset 或赋值），需要用户自行加锁。
- 指向对象的访问：shared_ptr 只管理指针的生命周期，不保证指向的对象是线程安全的！如果多个线程访问对象，仍需用户同步。

总结：
✔️ 引用计数的操作是安全的。
❌ 直接操作同一 shared_ptr 对象或访问其指向的数据需用户加锁。

2. 实现原理：如何做到自动管理内存？

核心思想：引用计数 + 控制块。

步骤解析：
1. 创建控制块：当第一个 shared_ptr 指向对象时，会创建一个控制块（包含引用计数、弱引用计数等）。
2. 共享控制块：其他 shared_ptr 复制时，指向同一控制块，并原子地增加引用计数。
3. 销毁对象：当引用计数减到 0 时，销毁对象。
4. 销毁控制块：当引用计数和弱引用计数均为 0 时，销毁控制块。

通俗比喻：

控制块像是一个“管家”，记录有多少个 shared_ptr 指向对象。
每次有人（shared_ptr）加入时，管家在账本上记一笔（引用计数+1）。
当有人离开时，管家划掉一笔（引用计数-1）。
当账本记录清零时，管家会清理对象。

3. 引用计数存储在哪里？

答案：在堆内存的控制块中。

控制块的结构：
- 引用计数（use_count）：记录当前有多少个 shared_ptr 指向对象。
- 弱引用计数（weak_count）：记录 weak_ptr 的数量。
- 删除器（Deleter）：可选，用于自定义对象销毁方式。
- 原始指针：指向实际管理的对象（某些实现可能优化）。
控制块的创建：
- make_shared：对象和控制块在同一块堆内存中分配（更高效）。
- 从裸指针构造：对象和控制块分开分配（多一次内存分配）。

示例：

// 控制块和对象一起分配（高效）
auto p1 = std::make_shared<int>(42); 

// 控制块和对象分开分配
int* raw_ptr = new int(42);
std::shared_ptr<int> p2(raw_ptr);

总结对比表

特性	说明
线程安全的操作	引用计数的增减（原子操作）
需用户同步的操作	同一 `shared_ptr` 实例的修改、指向对象的访问
引用计数存储位置	堆内存中的控制块（由所有 `shared_ptr` 共享）
控制块的生命周期	最后一个 `shared_ptr` 和 `weak_ptr` 销毁后释放

代码示例：线程安全的操作

#include <memory>
#include <thread>

void safe_operations() {
    auto ptr = std::make_shared<int>(42);

    // 多个线程复制 ptr（安全）
    std::thread t1([ptr] { /* 操作 ptr 副本 */ });
    std::thread t2([ptr] { /* 操作 ptr 副本 */ });
    t1.join(); t2.join();
}

void unsafe_operations() {
    auto ptr = std::make_shared<int>(42);

    // 多个线程修改同一 ptr 实例（不安全！需加锁）
    std::thread t1([&] { ptr.reset(new int(10)); });
    std::thread t2([&] { ptr.reset(new int(20)); });
    t1.join(); t2.join(); // 可能导致数据竞争！
}