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shared_ptr 是線程安全的嗎？

時間：2021-08-18 10:19:16
關鍵字： 線程   
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[導讀]↓推薦關注↓最近看見小伙伴在討論這個問題，自己也很感興趣，上網找到了陳碩大佬的這篇文章，分享給大家！以下是正文：我在《Linux多線程服務端編程：使用muduoC網絡庫》第1.9節(jié)“再論shared_ptr的線程安全”中寫道：（shared_ptr）的引用計數本身是安全且無鎖的，...


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最近看見小伙伴在討論這個問題，自己也很感興趣，上網找到了陳碩大佬的這篇文章，分享給大家！以下是正文：

我在《Linux 多線程服務端編程：使用 muduo C 網絡庫》第 1.9 節(jié)“再論 shared_ptr 的線程安全”中寫道：

（shared_ptr）的引用計數本身是安全且無鎖的，但對象的讀寫則不是，因為 shared_ptr 有兩個數據成員，讀寫操作不能原子化。shared_ptr 的線程安全級別和內建類型、標準庫容器、std::string 一樣，即：



一個 shared_ptr 對象實體可被多個線程同時讀?。ㄎ臋n例1）；


兩個 shared_ptr 對象實體可以被兩個線程同時寫入（例2），“析構”算寫操作；


如果要從多個線程讀寫同一個 shared_ptr 對象，那么需要加鎖（例3~5）。


請注意，以上是 shared_ptr 對象本身的線程安全級別，不是它管理的對象的線程安全級別。


后文（p.18）則介紹如何高效地加鎖解鎖。本文則具體分析一下為什么“因為 shared_ptr 有兩個數據成員，讀寫操作不能原子化”使得多線程讀寫同一個 shared_ptr 對象需要加鎖。這個在我看來顯而易見的結論似乎也有人抱有疑問，那將導致災難性的后果，值得我寫這篇文章。本文以 boost::shared_ptr 為例，與 std::shared_ptr 可能略有區(qū)別。



shared_ptr 的數據結構
shared_ptr 是引用計數型（reference counting）智能指針，幾乎所有的實現都采用在堆（heap）上放個計數值（count）的辦法（除此之外理論上還有用循環(huán)鏈表的辦法，不過沒有實例）。具體來說，shared_ptr 包含兩個成員，一個是指向 Foo 的指針 ptr，另一個是 ref_count 指針（其類型不一定是原始指針，有可能是 class 類型，但不影響這里的討論），指向堆上的 ref_count 對象。ref_count 對象有多個成員，具體的數據結構如圖 1 所示，其中 deleter 和 allocator 是可選的。



圖 1：shared_ptr 的數據結構


為了簡化并突出重點，后文只畫出 use_count 的值：



以上是 shared_ptr x(new Foo); 對應的內存數據結構。


如果再執(zhí)行 shared_ptr y = x; 那么對應的數據結構如下。



但是 y=x 涉及兩個成員的復制，這兩步拷貝不會同時（原子）發(fā)生。


中間步驟 1，復制 ptr 指針：



中間步驟 2，復制 ref_count 指針，導致引用計數加 1：



步驟1和步驟2的先后順序跟實現相關（因此步驟 2 里沒有畫出 y.ptr 的指向），我見過的都是先1后2。


既然 y=x 有兩個步驟，如果沒有 mutex 保護，那么在多線程里就有 race condition。


多線程無保護讀寫 shared_ptr 可能出現的 race condition

考慮一個簡單的場景，有 3 個 shared_ptr 對象 x、g、n：


shared_ptr g(new Foo); // 線程之間共享的 shared_ptr

shared_ptr x; // 線程 A 的局部變量

shared_ptr n(new Foo); // 線程 B 的局部變量

一開始，各安其事。



線程 A 執(zhí)行 x = g; （即 read g），以下完成了步驟 1，還沒來及執(zhí)行步驟 2。這時切換到了 B 線程。



同時編程 B 執(zhí)行 g = n; （即 write g），兩個步驟一起完成了。


先是步驟 1：



再是步驟 2：



這是 Foo1 對象已經銷毀，x.ptr 成了空懸指針！


最后回到線程 A，完成步驟 2：



多線程無保護地讀寫 g，造成了“x 是空懸指針”的后果。這正是多線程讀寫同一個 shared_ptr 必須加鎖的原因。


當然，race condition 遠不止這一種，其他線程交織（interweaving）有可能會造成其他錯誤。


思考，假如 shared_ptr 的 operator= 實現是先復制 ref_count（步驟 2）再復制 ptr（步驟 1），會有哪些 race condition？



雜項
shared_ptr 作為 unordered_map 的 key


如果把 boost::shared_ptr 放到 unordered_set 中，或者用于 unordered_map 的 key，那么要小心 hash table 退化為鏈表。http://stackoverflow.com/questions/6404765/c-shared-ptr-as-unordered-sets-key/12122314#12122314


直到 Boost 1.47.0 發(fā)布之前，unordered_set > 雖然可以編譯通過，但是其 hash_value 是 shared_ptr 隱式轉換為 bool 的結果。也就是說，如果不自定義hash函數，那么 unordered_{set/map} 會退化為鏈表。https://svn.boost.org/trac/boost/ticket/5216


Boost 1.51 在 boost/functional/hash/extensions.hpp 中增加了有關重載，現在只要包含這個頭文件就能安全高效地使用 unordered_set 了。


這也是 muduo 的 examples/idleconnection 示例要自己定義 hash_value(const boost::shared_ptr
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