std::shared_ptr大概是 C 里被誤解最多的類型。很多人聽說「它的引用計數(shù)是線程安全的」就放心地把它當(dāng)全局變量、在線程之間隨手賦值然后在大壓力下偶發(fā)崩潰或者計數(shù)錯亂。真實情況要分三層看引用計數(shù)reference count確實用原子操作實現(xiàn)但shared_ptr這個對象本身不是原子的它管理的對象更不是。下面把邊界劃清楚哪些操作并發(fā)安全哪些是數(shù)據(jù)競爭真要「多線程換指針」時 C17 和 C20 各有什么手段。一個「偶爾」崩的線程池先看一段很常見、但確實是錯的代碼// 反例不要這么寫數(shù)據(jù)競爭Core Guidelines 要求共享可變狀態(tài)必須同步#includememorystd::shared_ptrintg_config;// 全局共享指針voidreload(){g_configstd::make_sharedint(42);// 線程 A賦值給同一個實例}voiduse(){std::shared_ptrintlocalg_config;// 線程 B拷貝同一個實例// 一旦和上面同時發(fā)生 —— 未定義行為}問題出在g_config ...和auto local g_config撞在一起前者是非 const 成員操作要改被管理指針和引用計數(shù)后者只是讀被管理指針。兩者落在同一個shared_ptr對象上就是標(biāo)準(zhǔn)意義上的數(shù)據(jù)競爭data race。這里最容易混的一點原子化的是控制塊里的計數(shù)shared_ptr自己那兩個字段被管理指針T*和控制塊指針并不原子。賦值要同時改「指針指向」和「計數(shù)」這兩步之間沒有任何機制保證另一個線程看到的是一致狀態(tài)。所以「引用計數(shù)是原子的」這句話本身沒錯只是它管的事情比多數(shù)人以為的少得多。控制塊control block—— 被所有 shared_ptr 副本共享 ┌───────────────────────┬───────────────────┬─────────────────┐ │ 強引用計數(shù)(原子) │ 弱引用計數(shù)(原子) │ 刪除器 / 分配器 │ └───────────▲───────────┴─────────▲─────────┴─────────────────┘ │ │ ┌───────┴────────┐ ┌───────┴────────┐ │ shared_ptr 實例 │ │ shared_ptr 實例 │ │ 線程 A 私有 │ │ 線程 B 私有 │ │ T* p │ ctrl* │ │ T* p │ ctrl* │ └───────┬────────┘ └────────┬───────┘ │ │ │ │ ← 不同實例各自讀改自己的兩個字段安全 └──────────┬───────────┘ ▼ ┌─────────────────────────────┐ │ 被管理的對象 T │ │ 這一層 shared_ptr 完全不管 │ │ 并發(fā)讀寫必須自己加鎖/原子化 │ └─────────────────────────────┘官方文檔std::shared_ptr — cppreferenceThread safety 一節(jié)是這篇全部結(jié)論的出處· std::memory_order — cppreference劃邊界哪些操作安全哪些是競爭shared_ptr的規(guī)則可以精確到「同一個實例」還是「不同實例」操作并發(fā)情況結(jié)論多線程各自拷貝同一個const shared_ptr實例全是只讀訪問安全計數(shù)用原子操作維護不同線程持有不同的shared_ptr實例互為副本各改各的兩個字段安全標(biāo)準(zhǔn)明確保證任一線程對同一實例調(diào)用非 const 成員operator/reset/swap讀寫混在一起數(shù)據(jù)競爭一個線程寫同一實例另一個線程只是拷貝它讀 非 const 寫數(shù)據(jù)競爭很多人誤以為這樣安全通過p-/*p讀寫被管理的對象與shared_ptr無關(guān)要自己同步shared_ptr不提供任何保護use_count()原子讀安全但拿到的只是某一瞬間的快照不能當(dāng)同步手段一句話記憶「不同實例安全同一實例的非 const 操作危險被管理對象全部自理」。正確姿勢每個線程持有自己的副本最省事、開銷也最低的做法是讓每個線程都在自己的實例上工作。線程入口按值捕獲或者拷一份局部副本// shared_copy.cpp — 編譯: g -stdc17 -Wall -O2 -pthread shared_copy.cpp -o sc#includeatomic#includecstdio#includememory#includethread#includevectorintmain(){constexprintkThreads4;autosharedstd::make_sharedint(7);std::vectorstd::shared_ptrintcopies(kThreads);// 每個線程寫自己那一格std::vectorlongcounts(kThreads,0);std::atomicintready{0};std::atomicboolgo{false};std::vectorstd::threadworkers;for(inti0;ikThreads;i){workers.emplace_back([,i]{copies[i]shared;// 拷貝構(gòu)造計數(shù)原子 1ready.fetch_add(1,std::memory_order_relaxed);while(!go.load(std::memory_order_acquire)){}// 等所有線程就位counts[i]copies[i].use_count();// 此刻 4 副本 主線程 5});}while(ready.load(std::memory_order_acquire)kThreads){}go.store(true,std::memory_order_release);for(autot:workers)t.join();std::printf(并發(fā)期間各線程觀察到的 use_count: %ld %ld %ld %ld\n,counts[0],counts[1],counts[2],counts[3]);copies.clear();// 銷毀全部副本std::printf(副本銷毀后 use_count: %ld\n,shared.use_count());}并發(fā)期間各線程觀察到的 use_count: 5 5 5 5 副本銷毀后 use_count: 1四個線程在不同實例上各自拷貝計數(shù)被正確維護到 5副本銷毀后回到 1沒有泄漏也沒有提前釋放。copies[i] shared寫的是不同的 vector 元素彼此沒有競爭。ready/go這一對原子變量純粹是為了讓輸出可復(fù)現(xiàn)否則各線程讀到的use_count取決于調(diào)度。確實要在多線程里「換指針」怎么辦有些場景沒法只靠副本比如配置要熱更新、緩存要整體切換。這類場景的共同點是同一個變量一個線程寫、其他線程讀這時有三種選擇。方案起始標(biāo)準(zhǔn)說明選型建議每線程持有副本C11無鎖、零額外同步成本默認(rèn)首選只在「需要看到最新值」時不適用std::atomic_load(p)/std::atomic_store(p, ...)自由函數(shù)C11C20 起 deprecated對shared_ptr做原子讀/寫C17 環(huán)境的折中方案std::atomicstd::shared_ptrTC20支持load/store/compare_exchange_*C20 環(huán)境的首選先看 C17 里能用的自由函數(shù)版本// atomic_free.cpp — 編譯: g -stdc17 -Wall -O2 -pthread atomic_free.cpp -o af#includecstdio#includememory#includethreadintmain(){std::shared_ptrintconfigstd::make_sharedint(1);std::threadwriter([config]{std::atomic_store(config,std::make_sharedint(42));// 原子發(fā)布新版本});writer.join();std::shared_ptrintsnapshotstd::atomic_load(config);// 原子讀取快照std::printf(快照值 %d\n,*snapshot);std::printf(config.use_count() %ld\n,config.use_count());}快照值 42 config.use_count() 2atomic_load返回的是一份獨立的副本所以主線程的config和snapshot各占一份計數(shù)得到 2。讀線程拿到快照之后即便寫線程緊接著替換了指針?biāo)掷锬莻€對象也保證還活著這正是這套接口存在的意義。代價是這類自由函數(shù)在 C20 里被標(biāo)記為 deprecated新代碼建議直接用下面的類型。官方文檔std::atomic(std::shared_ptr) 自由函數(shù) — cppreferenceC20 把這件事做進了類型系統(tǒng)std::atomicstd::shared_ptrT是正式的偏特化并且提供compare_exchange_strong/compare_exchange_weak可以寫無鎖的讀-改-寫循環(huán)。下面 4 個線程各做 1000 次「讀到當(dāng)前值、發(fā)布一個 1 的新對象」最終必然是 4001// verify: stdc20// atomic_rmw.cpp — 需要 C20編譯: g -stdc20 -Wall -O2 -pthread atomic_rmw.cpp -o armw#includeatomic#includecstdio#includememory#includethread#includevectorintmain(){constexprintkThreads4;constexprintkRounds1000;// C20 起 std::atomicstd::shared_ptrT 是標(biāo)準(zhǔn)偏特化std::atomicstd::shared_ptrintg{std::make_sharedint(1)};std::vectorstd::threadworkers;for(intt0;tkThreads;t){workers.emplace_back([g]{for(intk0;kkRounds;k){autocurg.load();for(;;){autonextstd::make_sharedint(*cur1);if(g.compare_exchange_weak(cur,next))break;// 失敗時 cur 被刷新}}});}for(autot:workers)t.join();std::printf(最終值 %d\n,*g.load());std::printf(sizeof(std::atomicstd::shared_ptrint) %zu\n,sizeof(std::atomicstd::shared_ptrint));}最終值 4001 sizeof(std::atomicstd::shared_ptrint) 16有兩點值得留意。一是compare_exchange_weak失敗時會順手把cur刷新成最新值所以循環(huán)體里不用重新load也不會讀到過期對象這個語義和普通 CAS 一致。二是sizeof仍是 16也就是「被管理指針 控制塊指針」沒有為原子性多付一個字的存儲gcc 的實現(xiàn)把自旋計數(shù)藏在了控制塊里。官方文檔std::atomicstd::shared_ptr — cppreference · std::thread — cppreference多線程共享只讀配置把上面的建議落地也就是共享數(shù)據(jù)一旦發(fā)布就不再修改各線程各拿一份副本。這是 90% 場景的正解也是唯一不需要鎖的方案// shared_config.cpp — 編譯: g -stdc17 -Wall -O2 -pthread shared_config.cpp -o sconf#includecstdio#includememory#includestring#includethread#includevectorclassConfig{public:Config(std::string name,intworkers):name_(std::move(name)),workers_(workers){}conststd::stringname()const{returnname_;}intworkers()const{returnworkers_;}private:std::string name_;intworkers_;};intmain(){constexprintkThreads3;autoconfigstd::make_sharedConfig(prod,4);std::vectorstd::stringseen(kThreads);std::vectorstd::threadworkers;for(inti0;ikThreads;i){workers.emplace_back([,i]{std::shared_ptrConfiglocalconfig;// 拷貝構(gòu)造線程私有實例seen[i]local-name()/std::to_string(local-workers());});}for(autot:workers)t.join();for(inti0;ikThreads;i)std::printf(線程 %d 看到 %s\n,i,seen[i].c_str());std::printf(主線程 use_count %ld\n,config.use_count());}線程 0 看到 prod/4 線程 1 看到 prod/4 線程 2 看到 prod/4 主線程 use_count 1local是每個線程自己的shared_ptrconfig只被讀取、從未被寫整個程序沒有任何數(shù)據(jù)競爭。Config本身也是只讀的成員函數(shù)全const構(gòu)造后不再變所以共享它不需要任何鎖。不可變數(shù)據(jù)配上引用計數(shù)是最省心的一種形態(tài)。延伸閱讀std::shared_ptr — cppreference —— Thread safety 一節(jié)逐條列出「不同實例安全 / 同一實例非 const 操作不安全」的原文措辭std::atomic(std::shared_ptr) 自由函數(shù) — cppreference ——atomic_load/atomic_store系列的全部重載與 deprecated 狀態(tài)std::atomicstd::shared_ptr — cppreference —— C20 偏特化含compare_exchange_weak的語義std::memory_order — cppreference —— 為什么作者寫acquire/release而不是默認(rèn)的seq_cstC Core Guidelines —— 并發(fā)一章的總原則共享可變狀態(tài)必須有同步能靠「不共享」解決就不要靠鎖收個尾回到開頭那句傳言。shared_ptr保證的只有一件事控制塊里的引用計數(shù)是原子的多個副本不會把計數(shù)算錯。同一個實例上一旦出現(xiàn)非 const 操作、reset、swap同步就得你自己來被管理的對象更是從頭到尾沒人替你管。選型的順序倒是很清楚先考慮讓每個線程持有自己的副本最省事也最快C17 里確實要熱替換用std::atomic_load/std::atomic_store這對自由函數(shù)到了 C20 直接上std::atomicstd::shared_ptrT還能寫 CAS 循環(huán)。不需要熱替換就別碰原子版本多出來的開銷換不到任何東西。