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C++ shared_ptr原理 引用计数机制详解

P粉602998670

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发布时间:2025-08-25 08:32:01

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来源于php中文网

原创

std::shared_ptr通过引用计数管理对象生命周期,多个shared_ptr共享同一控制块,拷贝或赋值时引用计数加1,销毁或重置时减1,计数为0时自动释放对象;使用std::make_shared可提升性能,但需警惕循环引用导致内存泄漏,此时应结合std::weak_ptr打破循环;引用计数操作线程安全,但对象本身访问需额外同步。

c++ shared_ptr原理 引用计数机制详解

在C++中,std::shared_ptr 是一种智能指针,用于管理动态分配对象的生命周期。它的核心机制是引用计数(Reference Counting),通过共享同一个引用计数来决定何时释放所指向的对象。

引用计数的基本原理

每个 shared_ptr 实例都指向一个控制块(control block),这个控制块包含:

  • 指向实际对象的指针
  • 当前有多少个 shared_ptr 共享该对象的引用计数(use_count)
  • 可能还有 weak_ptr 使用的弱引用计数(weak_count)
  • 自定义删除器(deleter)和分配器(allocator)信息(如果有的话)

当一个新的 shared_ptr 指向同一个对象时,引用计数加1;当一个 shared_ptr 被销毁或重新赋值时,引用计数减1。当引用计数变为0时,说明没有 shared_ptr 再指向这个对象,系统会自动调用删除器释放对象内存。

shared_ptr 的拷贝与赋值

shared_ptr 的拷贝构造和赋值操作会增加引用计数:

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std::shared_ptr ptr1 = std::make_shared(42);
std::shared_ptr ptr2 = ptr1; // 引用计数从1变为2
std::shared_ptr ptr3;
ptr3 = ptr2; // 引用计数变为3

此时,ptr1、ptr2、ptr3 都指向同一个 int 对象,引用计数为3。只有当这三个指针全部离开作用域或被重置时,对象才会被释放。

控制块的创建时机

控制块(包含引用计数)是在 shared_ptr 初始化时创建的,但具体行为取决于初始化方式:

  • 使用 std::make_shared():对象和控制块在一块内存中分配,效率更高
  • 使用 shared_ptr(new T):对象和控制块分别分配,可能有性能损失

无论哪种方式,只要多个 shared_ptr 共享同一个对象,它们就共享同一个控制块和引用计数。

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循环引用问题与 weak_ptr

引用计数机制有一个致命缺陷:循环引用。例如:

struct Node {
    std::shared_ptr parent;
    std::shared_ptr child;
};
// 如果 parent.child = child; child.parent = parent;
// 引用计数永远不为0,内存无法释放

为解决这个问题,C++ 提供了 std::weak_ptr。它不增加引用计数,只观察对象是否存在。当需要访问时,可尝试提升为 shared_ptr:

std::weak_ptr weak_ref = ptr;
if (auto locked = weak_ref.lock()) {
    // 对象仍存在,locked 是 shared_ptr
}

weak_ptr 有自己的弱引用计数,用于管理控制块的生命周期,但不影响对象的释放。

线程安全性说明

shared_ptr 的引用计数操作是原子的,因此多个线程可以安全地拷贝或销毁不同的 shared_ptr 实例(指向同一对象)。但注意:

  • 引用计数的增减是线程安全的
  • 所指向对象本身的读写仍需额外同步

也就是说,shared_ptr 保证指针管理的安全,不保证对象访问的安全。

基本上就这些。shared_ptr 的引用计数机制简单有效,但要注意避免循环引用,合理使用 make_shared 提升性能,理解控制块的生命周期管理方式。

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