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智能指针引入的原因：指针管理的困境：内存泄漏， 悬垂指针（指针指向的内存释放或重新分配内存导致），重复释放，野指针（指针未被正确初始化）

shared_ptr 是 C++ 智能指针中最重要的一个，它实现了共享所有权的概念，通过引用计数机制来管理对象的生命周期。下面我将详细分析其底层实现原理。

核心实现机制

shared_ptr 的核心实现通常包含以下几个关键部分：

1. 控制块（Control Block）：

   • 存储引用计数（shared count）

   • 存储弱引用计数（weak count）

   • 存储删除器（deleter）

   • 存储分配器（allocator）

   • 指向被管理对象的指针

2. 引用计数：

   • 每当一个新的 shared_ptr 指向同一对象时，引用计数增加

   • 当 shared_ptr 被销毁或重置时，引用计数减少

   • 当引用计数降为 0 时，删除被管理对象

典型实现结构

template<typename T>
class shared_ptr {
private:T* ptr;                  // 指向被管理对象的指针ControlBlock* control;   // 指向控制块的指针struct ControlBlock {long shared_count;    // 共享引用计数long weak_count;      // 弱引用计数Deleter deleter;      // 删除器// 可能还有其他成员...};public:// 构造函数、析构函数、拷贝控制成员等...
};

关键操作实现

构造函数

template<typename T>
shared_ptr<T>::shared_ptr(T* p) : ptr(p), control(new ControlBlock) {if (control) {control->shared_count = 1;control->weak_count = 0;}
}

拷贝构造函数

template<typename T>
shared_ptr<T>::shared_ptr(const shared_ptr<T>& other) : ptr(other.ptr), control(other.control) {if (control) {++control->shared_count;}
}

析构函数

template<typename T>
shared_ptr<T>::~shared_ptr() {if (control) {--control->shared_count;if (control->shared_count == 0) {// 删除被管理对象control->deleter(ptr);// 如果没有弱引用，删除控制块if (control->weak_count == 0) {delete control;}}}
}

赋值操作符

template<typename T>
shared_ptr<T>& shared_ptr<T>::operator=(const shared_ptr<T>& other) {if (this != &other) {// 减少当前引用计数this->~shared_ptr();// 复制新指针和控制块ptr = other.ptr;control = other.control;if (control) {++control->shared_count;}}return *this;
}

线程安全性

现代 shared_ptr 实现通常保证：

• 不同 shared_ptr 实例可以被多线程同时访问（即使它们管理同一对象）

• 同一 shared_ptr 实例的多个成员函数调用需要外部同步

• 引用计数的增减是原子操作（通常使用原子操作或互斥锁实现）

性能考虑

1. 内存开销：

   • 每个 shared_ptr 对象通常需要存储两个指针（对象指针和控制块指针）

   • 控制块本身也有额外内存开销

2. 时间开销：

   • 引用计数的增减操作需要原子操作，比普通指针操作慢

   • 控制块的动态分配也需要时间

自定义删除器

shared_ptr 支持自定义删除器，这在管理特殊资源时非常有用：

struct FileDeleter {void operator()(FILE* fp) const {if (fp) fclose(fp);}
};shared_ptr<FILE> filePtr(fopen("test.txt", "r"), FileDeleter());

与 weak_ptr 的交互

weak_ptr 也使用相同的控制块，但只增加弱引用计数，不影响共享引用计数。当最后一个 shared_ptr 被销毁时，对象会被删除，但控制块会保留直到所有 weak_ptr 也被销毁。

解决循环引用 

class Node {
public:// shared_ptr<Node> next;  // 这样会导致循环引用weak_ptr<Node> next;      // 使用 weak_ptr 避免循环~Node() { cout << "Node destroyed\n"; }
};void no_circular_reference() {shared_ptr n1 = make_shared<Node>();shared_ptr n2 = make_shared<Node>();n1->next = n2;n2->next = n1;  // 不会造成循环引用
}