shared_ptr是如何实现的？

八股文_C++基础面试题 0 4

参考回答

std::shared_ptr 是 C++ 标准库中的一种智能指针，用于管理动态分配的内存，并提供共享所有权的功能。它通过引用计数机制来管理资源，当最后一个 shared_ptr 被销毁时，它所管理的资源会自动释放。

详细讲解与拓展

引用计数机制
std::shared_ptr 通过引用计数来管理资源。每次创建一个 shared_ptr 指向同一个对象时，引用计数增加；每次一个 shared_ptr 被销毁时，引用计数减少。当引用计数降到 0 时，表示没有 shared_ptr 再管理这个对象，资源会被自动释放。

在实现上，shared_ptr 通常包含两个部分：
- 指向对象的指针：即实际的资源（例如，通过 new 分配的内存）。
- 引用计数：存储在某个地方（通常是一个共享的控制块），用于跟踪有多少个 shared_ptr 实例指向同一对象。
示例：
```
std::shared_ptr ptr1 = std::make_shared(10);
std::shared_ptr ptr2 = ptr1;  // 引用计数增加
```
如何实现引用计数
shared_ptr 的引用计数通常是由一个控制块来管理的。这个控制块存储了当前 shared_ptr 实例的数量以及与对象关联的资源的内存地址。

每次 shared_ptr 被复制时，引用计数会增加；每次 shared_ptr 被销毁时，引用计数会减少。当引用计数降到 0 时，对象的内存会被释放。

典型的实现大致如下：
```
template 
class shared_ptr {
private:
   T* ptr;                // 指向对象的指针
   std::atomic* ref_count;  // 引用计数

public:
   shared_ptr(T* ptr) : ptr(ptr), ref_count(new std::atomic(1)) {}

   shared_ptr(const shared_ptr& other) : ptr(other.ptr), ref_count(other.ref_count) {
       ++(*ref_count);  // 引用计数增加
   }

   ~shared_ptr() {
       if (--(*ref_count) == 0) {
           delete ptr;  // 当引用计数为 0 时，释放资源
           delete ref_count;
       }
   }
};
```
在这个简化版的实现中：
- ptr 是指向实际资源的指针。
- ref_count 是一个原子类型的引用计数，它确保在多线程环境中对引用计数的操作是安全的。
控制块
实际的 std::shared_ptr 实现中，引用计数通常是与对象的实际数据分开存储的。为了解决多线程问题，引用计数会使用原子操作来增加和减少，以确保安全地进行引用计数操作。

控制块的结构通常会包括以下内容：
- 引用计数：记录有多少个 shared_ptr 正在使用这个对象。
- 弱引用计数：记录有多少个 std::weak_ptr 观察这个对象。
- 指向对象的指针：实际数据的内存地址。
示例：
```
struct ControlBlock {
   std::atomic strong_count;  // 强引用计数
   std::atomic weak_count;    // 弱引用计数
   T* ptr;                         // 实际对象的指针
};
```
当你复制一个 shared_ptr 时，strong_count 会增加。当 shared_ptr 被销毁时，strong_count 会减少，直到为零，这时才会删除资源。
weak_ptr 与 shared_ptr
std::weak_ptr 是一种不增加引用计数的智能指针。它用于观察 shared_ptr 所管理的资源而不影响资源的生命周期。weak_ptr 会提供一个 lock() 方法来尝试获取一个有效的 shared_ptr，如果资源已经被释放，lock() 将返回一个空的 shared_ptr。

例如，假设你有两个相互引用的对象，使用 weak_ptr 可以避免循环引用的问题。
线程安全
shared_ptr 的引用计数通常是线程安全的。在多线程环境中，shared_ptr 通过原子操作来管理引用计数，以确保多个线程安全地操作引用计数。然而，实际的资源访问（即通过 shared_ptr 获取资源）并不是自动线程安全的，程序员仍然需要使用适当的同步机制来确保对资源的安全访问。

总结

std::shared_ptr 通过引用计数机制来管理动态内存，确保在多个 shared_ptr 共享同一资源时，资源只有在最后一个 shared_ptr 被销毁时才会被释放。引用计数的增加和减少是通过控制块和原子操作来管理的，确保在多线程环境中的安全性。通过使用 std::shared_ptr，程序员无需手动管理内存，减少了内存泄漏的风险。

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