智能指针是线程安全的？

Last updated on 8 months ago

智能指针实现原理？

智能指针（Smart Pointers）是一种用于管理动态分配的内存资源的 C++ 类模板，不是指某个关键字，确保在不再需要时自动释放所持有的资源，从而避免内存泄漏和悬空指针等内存管理问题； 这个类里面通过引用计数 来跟踪指向同一对象的指针数量，每当一个智能指针指向对象时，对象的引用计数会增加；当智能指针超出作用域或被销毁时，引用计数会减少。当引用计数为零时，表示没有指针指向对象，可以安全地释放对象的内存。

  • std::shared_ptr：共享式智能指针，允许多个指针共享同一个资源，这个资源可以被其他shared_ptr 引用，所以需要使用引用计数来管理资源的生命周期。
  • std::unique_ptr：独占式智能指针，不能被复制，只能移动所有权，由于unique_ptr是独占所指向对象的所有权，不能共享，所以不使用引用计数，使用独占性质来管理对象的生命周期。
  • std::weak_ptr：弱引用智能指针，可以解决 std::shared_ptr 的循环引用问题，不会增加资源的引用计数，不会延长资源的生命周期。

智能指针是线程安全吗？

先说下什么是线程安全？

线程安全指某个函数、函数库在多线程环境中被调用时，能够正确地处理多个线程之间的公用变量，使程序功能正确完成；

举一个线程操作不安全的例子：

10个线程，对global_counter 自加，期望值是 200000 ；
我们都知道类似 i++的操作，底层涉及了 读取、修改和写回多个步骤，所以这 ++操作 并不是线程安全的；

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#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

#define NUM_THREADS 10
#define ITERATIONS 10000

int global_counter = 0;

void *thread_function(void *arg) {
    for (int i = 0; i < ITERATIONS; ++i) {
        global_counter++;
    }
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    // 创建多个线程
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, NULL);
    }
    // 等待所有线程完成
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
    printf("Global counter value: %d\n", global_counter);

    return 0;
}

结果为 217250，和预期的 200000 不一致

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root@ubuntu:/home# gcc  thread.c -o thread -pthread
root@ubuntu:/home# ./thread 
Global counter value: 217250
root@ubuntu:/home#

智能指针类的里面的关键操作

从智能指针的作用来看，只是管理内存的生命周期，并不负责竞争和同步问题

从智能指针内部类实现来看，最为关键是 引用计数的自增，多线程场景，使用shared_ptr，这个时候是有可能？ 为了确定下，直接用gdb 进去看下（我猜测时在 拷贝构造的时候会调用计数+1操作）

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#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

int main() {
    // 创建一个 std::shared_ptr，并将其初始化为指向一个动态分配的整数数组
    std::shared_ptr<std::vector<int>> ptr1 = std::make_shared<std::vector<int>>(5, 10); // 创建一个包含5个元素的整数数组

    // 创建另一个 std::shared_ptr，指向相同的对象
    std::shared_ptr<std::vector<int>> ptr2 = ptr1;

    // 打印每个 shared_ptr 的引用计数  
    std::cout << "ptr1 引用计数: " << ptr1.use_count() << std::endl;
    std::cout << "ptr2 引用计数: " << ptr2.use_count() << std::endl;

    // 创建第三个 shared_ptr，指向相同的对象  //断点打在行！
    std::shared_ptr<std::vector<int>> ptr3 = ptr1;

    // 打印每个 shared_ptr 的引用计数
    std::cout << "ptr1 引用计数: " << ptr1.use_count() << std::endl;
    std::cout << "ptr2 引用计数: " << ptr2.use_count() << std::endl;
    std::cout << "ptr3 引用计数: " << ptr3.use_count() << std::endl;
    return 0;
}

17行打两个断点， 

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(gdb) 
main () at shareptr.cc:13
13	    std::cout << "ptr1 引用计数: " << ptr1.use_count() << std::endl;
(gdb) 
ptr1 引用计数: 2
14	    std::cout << "ptr2 引用计数: " << ptr2.use_count() << std::endl;
(gdb) 
ptr2 引用计数: 2

# step 进入
17	    std::shared_ptr<std::vector<int>> ptr3 = ptr1;
(gdb) s
std::shared_ptr<std::vector<int, std::allocator<int> > >::shared_ptr (
    this=0x7fffffffe490) at /usr/include/c++/7/bits/shared_ptr.h:119
119	      shared_ptr(const shared_ptr&) noexcept = default;

#拷贝构造函数的默认声明，使用默认实现，
# step 再进入
(gdb) s
std::__shared_ptr<std::vector<int, std::allocator<int> >, (__gnu_cxx::_Lock_policy)2>::__shared_ptr (this=0x7fffffffe490)
    at /usr/include/c++/7/bits/shared_ptr_base.h:1121
1121	      __shared_ptr(const __shared_ptr&) noexcept = default;

# step 再进入，终于可能到实现函数了
(gdb) s
std::__shared_count<(__gnu_cxx::_Lock_policy)2>::__shared_count (
    this=0x7fffffffe498, __r=...)
    at /usr/include/c++/7/bits/shared_ptr_base.h:688
688	      : _M_pi(__r._M_pi)

#next 逐步看 
(gdb) n
690		if (_M_pi != 0)
# 打印发现有用的信息， _M_use_count = 2 ，符合当前的 引用计数
(gdb) p *_M_pi
$2 = {<std::_Mutex_base<(__gnu_cxx::_Lock_policy)2>> = {<No data fields>}, 
  _vptr._Sp_counted_base = 0x555555758c80 <vtable for std::_Sp_counted_ptr_inplace<std::vector<int, std::allocator<int> >, std::allocator<std::vector<int, std::allocator<int> > >, (__gnu_cxx::_Lock_policy)2>+16>, 
  _M_use_count = 2, _M_weak_count = 1}
  
 #next 逐步看，发现add
(gdb) n
691		  _M_pi->_M_add_ref_copy();
# step 继续深入，发现时 c++ 的atomic操作， 这个就是原子操作
(gdb) s
std::_Sp_counted_base<(__gnu_cxx::_Lock_policy)2>::_M_add_ref_copy (
    this=0x55555576be70) at /usr/include/c++/7/bits/shared_ptr_base.h:138
138	      { __gnu_cxx::__atomic_add_dispatch(&_M_use_count, 1); }


从代码上看，引用计数累计时原子操作，所以说明 shared_ptr 内部操作是线程安全的，但是不能保证多线程场景下用 shared_ptr 管理内存数据的就一定是线程安全性