智能指针线程安全吗多线程环境下shared_ptr的使用注意事项

P粉602998670

发布时间：2025-08-14 21:42:02

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来源于php中文网

原创

std::shared_ptr在多线程环境下其引用计数操作是线程安全的，但指向的对象内容并非自动线程安全。1. shared_ptr的引用计数通过原子操作（如c++as）实现线程安全，确保对象生命周期正确管理；2. 指向的对象若被多个线程同时修改，仍需额外同步机制如互斥锁保护共享数据；3. 推荐做法包括按值传递shared_ptr保证任务执行期间对象存活、使用weak_ptr处理观察者模式或循环引用、c++20中atomic_shared_ptr用于原子替换指针本身。因此，程序员需自行保护对象内部数据访问以避免数据竞争。

智能指针线程安全吗多线程环境下shared_ptr的使用注意事项

智能指针，特别是

std::shared_ptr

，其本身的引用计数操作在多线程环境下是线程安全的。但需要明确的是，这仅限于管理其内部的引用计数增减，确保对象在所有引用都失效后才被正确销毁。它所指向的实际数据（即被管理的对象）本身并不自动获得线程安全。这意味着，如果多个线程同时修改

shared_ptr

指向的同一个对象，仍然会引发数据竞争。

解决方案

在使用

std::shared_ptr

时，我们真正需要关注的是它所“拥有”的那个对象。

shared_ptr

的引用计数机制保证了对象生命周期的正确管理，即使在多个线程共享和传递它时，也不会因为引用计数错误而提前析构或导致悬空指针。但这个“管家”的职责仅限于此。当不同的

shared_ptr

实例（它们可能在不同线程中）都指向同一个底层对象时，如果这些线程尝试对该对象进行非原子性的读写操作，那就需要额外的同步机制来保护这个共享对象的状态，比如使用互斥锁（

std::mutex

）或者读写锁（

std::shared_mutex

）。

shared_ptr

的引用计数是如何实现线程安全的？

这真是个好问题，它触及了

shared_ptr

设计的精妙之处。在我看来，C++标准库在设计

shared_ptr

时，就已经考虑到了多线程场景下引用计数的正确性。具体来说，

shared_ptr

的引用计数和弱引用计数（如果有

std::weak_ptr

存在）都是通过原子操作（atomic operations）来保证线程安全的。

这意味着，当一个

shared_ptr

被复制、赋值或者销毁时，其内部维护的引用计数会进行原子性的递增或递减。这些原子操作是不可中断的，它们保证了即使在多个线程同时进行这些操作时，引用计数的值也能保持正确，不会出现“数错”的情况。底层实现通常依赖于处理器提供的原子指令，比如比较并交换（Compare-And-Swap, CAS）等。所以，你不用担心两个线程同时递增引用计数会导致最终结果比预期少1，或者在计数归零时对象被错误地析构。这一点，标准库已经替我们考虑周全了。

为什么

shared_ptr

指向的对象内容不是线程安全的？

这个问题其实是在提醒我们，不要混淆了“指针本身”和“指针指向的内容”的线程安全。

shared_ptr

的线程安全，正如前面提到的，体现在它对引用计数的管理上。这就像是说，你家房子的产权登记是安全的，不会被别人随意篡改，但你房子里的家具摆设，如果两个人同时去搬，就可能撞到一起。

当多个

shared_ptr

实例指向同一个对象时，这些

shared_ptr

只是“共享所有权”的句柄。它们各自的拷贝、赋值、析构操作会安全地修改引用计数。然而，一旦你通过

shared_ptr

解引用（例如

*ptr

或

ptr->member

）去访问或修改它所指向的那个实际对象的数据，那么这个操作就不再由

shared_ptr

本身来保护了。

举个例子，假设你有一个

shared_ptr>

，两个线程同时通过各自的

shared_ptr

去调用

vec->push_back(value)

。

push_back

操作本身并不是原子性的，它可能涉及内存重新分配、数据拷贝等多个步骤。在没有额外同步措施的情况下，这两个

push_back

调用就可能导致数据损坏、内存泄漏，甚至程序崩溃。因为

shared_ptr

的设计哲学是管理对象的生命周期，而不是管理对象内部的数据访问。对象内部的数据竞争，是程序员需要自己通过互斥锁、读写锁或其他并发原语来解决的问题。

在多线程环境下，如何正确使用

shared_ptr

来避免数据竞争？

要正确地在多线程环境中使用

shared_ptr

，关键在于理解其职责边界，并为超出其职责范围的部分提供额外的保护。

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一个核心原则是：保护你所访问的数据，而不是保护

shared_ptr

本身。

对共享对象进行同步： 这是最常见也是最直接的方法。如果

shared_ptr

指向的对象需要在多个线程间共享并被修改，那么你需要确保对该对象的所有修改操作都受到互斥锁（

std::mutex

）的保护。

class MyData {
public:
    void addValue(int v) {
        std::lock_guard lock(mtx_);
        data_.push_back(v);
    }
    // ... 其他操作
private:
    std::vector data_;
    std::mutex mtx_; // 保护data_
};

std::shared_ptr shared_data = std::make_shared();
// 线程1: shared_data->addValue(10);
// 线程2: shared_data->addValue(20); // 内部有锁保护

或者，如果对象本身没有内置锁，你可以在每次访问时外部加锁：

std::shared_ptr obj_ptr = std::make_shared();
std::mutex global_obj_mutex; // 外部锁

// 线程A
{
    std::lock_guard lock(global_obj_mutex);
    obj_ptr->modifySomething(); // 访问共享对象
}

创建不可变对象： 如果可能，设计你的共享对象为不可变（immutable）的。一旦对象被创建并初始化，其内部状态就不能再被修改。这样，多个线程可以同时安全地读取它，因为没有写入操作会导致竞争。这是一种非常强大的并发模式。当需要更新时，不是修改原对象，而是创建并发布一个新的对象。
通过值传递
```
shared_ptr
```
：当你将一个
```
shared_ptr
```
实例传递给一个新线程或异步任务时，通常建议按值传递（
```
std::shared_ptr param
```
）。这会创建
```
shared_ptr
```
的一个新拷贝，安全地增加引用计数，确保在任务执行期间，即使其他所有
```
shared_ptr
```
都失效了，该对象也不会被销毁。这保证了任务可以安全地访问它所引用的对象，直到任务完成。
使用
```
std::weak_ptr
```
处理循环引用和观察者模式：
```
std::weak_ptr
```
本身也是线程安全的，其构造、拷贝、赋值和析构操作都原子地处理弱引用计数。当你需要安全地“观察”一个可能已被销毁的对象，或者需要打破
```
shared_ptr
```
的循环引用时，
```
weak_ptr
```
是理想的选择。在使用
```
weak_ptr
```
访问对象前，你需要调用
```
weak_ptr::lock()
```
来尝试获取一个
```
shared_ptr
```
。如果
```
lock()
```
返回一个非空的
```
shared_ptr
```
，说明对象仍然存活，你可以安全使用；否则，对象已被销毁。
C++20
```
std::atomic_shared_ptr
```
：对于需要原子性地替换
```
shared_ptr
```
本身的情况（例如，一个共享指针指向的对象可能被整个替换为另一个对象），C++20引入了
```
std::atomic_shared_ptr
```
。它提供了诸如
```
load()
```
,
```
store()
```
,
```
exchange()
```
,
```
compare_exchange_weak()
```
,
```
compare_exchange_strong()
```
等原子操作，但请注意，这依然是针对
```
shared_ptr
```
指针本身的原子操作，而不是它所指向的 对象内容。如果你需要原子地改变
```
shared_ptr
```
指向哪个对象，这个工具非常有用。