关于 shared_ptr 的线程安全

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    shared_ptr的引用计数本身是安全且无锁的，但对象的读写则不是，因为 shared_ptr 有两个数据成员（指向被管理对象的指针，和指向控制块的指针），读写操作不能原子化。根据文档(http://www.boost.org/doc/libs/release/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm#ThreadSafety)， shared_ptr 的线程安全级别和内建类型、标准库容器、std::string 一样，即：

• 一个 shared_ptr 对象实体可被多个线程同时读取（文档例1）；

• 两个 shared_ptr 对象实体可以被两个线程同时写入（例2），“析构”算写操作；

• 如果要从多个线程读写同一个 shared_ptr 对象，那么需要加锁（例3~5）。

请注意，以上是 shared_ptr 对象本身的线程安全级别，不是它管理的对象的线程安全级别。

 
 
本文具体分析一下为什么“因为 shared_ptr 有两个数据成员，读写操作不能原子化”使得多线程读写同一个 shared_ptr 对象需要加锁。这个在我看来显而易见的结论似乎也有人抱有疑问，那将导致灾难性的后果，值得我写这篇文章。本文以 boost::shared_ptr 为例，与 std::shared_ptr 可能略有区别。

 
1：shared_ptr 的数据结构

shared_ptr 是引用计数型（reference counting）智能指针，几乎所有的实现都采用在堆（heap）上放个计数值（count）的办法（除此之外理论上还有用循环链表的办法，不过没有实例）。具体来说，shared_ptr 包含两个成员，一个是指向 Foo 的指针 ptr，另一个是 ref_count 指针（其类型不一定是原始指针，有可能是 class 类型，但不影响这里的讨论），指向堆上的 ref_count 对象。ref_count 对象有多个成员，具体的数据结构如图 1 所示，其中 deleter 和 allocator 是可选的。
图 1：shared_ptr 的数据结构。

 
为了简化并突出重点，后文只画出 use_count 的值：

以上是 shared_ptr x(new Foo); 对应的内存数据结构。

如果再执行 shared_ptr y = x; 那么对应的数据结构如下。

但是 y=x 涉及两个成员的复制，这两步拷贝不会同时（原子）发生。

中间步骤 1，复制 ptr 指针：

中间步骤 2，复制 ref_count 指针，导致引用计数加 1：

步骤1和步骤2的先后顺序跟实现相关（因此步骤 2 里没有画出 y.ptr 的指向），我见过的都是先1后2。

既然 y=x 有两个步骤，如果没有 mutex 保护，那么在多线程里就有 race condition。

 
2：多线程无保护读写 shared_ptr 可能出现的 race condition

考虑一个简单的场景，有 3 个 shared_ptr 对象 x、g、n：

shared_ptr<Foo> g(new Foo); // 线程之间共享的 shared_ptr

shared_ptr<Foo> x; // 线程 A 的局部变量

shared_ptr<Foo> n(new Foo); // 线程 B 的局部变量

一开始，各安其事：

线程 A 执行 x = g; （即 read g），以下完成了步骤 1，还没来及执行步骤 2。这时切换到了 B 线程。

同时编程 B 执行 g = n; （即 write g），两个步骤一起完成了。先是步骤 1：

再是步骤 2：

这时 Foo1 对象已经销毁，x.ptr 成了空悬指针！

最后回到线程 A，完成步骤 2：

多线程无保护地读写 g，造成了“x 是空悬指针”的后果。这正是多线程读写同一个 shared_ptr 必须加锁的原因。

 
当然，race condition 远不止这一种，其他线程交织（interweaving）有可能会造成其他错误。