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面试题：C++中shared_ptr是线程安全的吗？
std::shared_ptr 是 C++ 标准库中的智能指针，用于管理动态分配的对象，并自动释放不再需要的对象,它在 C++ 中是部分线程安全的，但这并不意味着它在所有情况下都是安全的。
01
线程安全的部分
引用计数操作是线程安全的
std::shared_ptr 的引用计数（即管理对象的共享所有权的计数）是线程安全的。因为std::shared_ptr 的内部引用计数是原子的，这意味着多个线程可以安全地对同一个 std::shared_ptr 对象进行引用计数的操作（如 shared_ptr 的拷贝构造和赋值）。这些操作不会导致数据竞争。
我们看个例子
std::shared_ptr<int> p = std::make_shared<int>(0);constexpr int N = 10000;std::vector<std::shared_ptr<int>> sp_arr1(N);std::vector<std::shared_ptr<int>> sp_arr2(N);void increment_count(std::vector<std::shared_ptr<int>>& sp_arr) {for (int i = 0; i < N; i++) {sp_arr[i] = p;}}int main(){std::thread t1(increment_count, std::ref(sp_arr1));std::thread t2(increment_count, std::ref(sp_arr2));t1.join();t2.join();std::cout << p.use_count() << std::endl; // always 20001return 0;}
初始引用计数：
p 初始时有一个引用计数，因为它本身就是一个 std::shared_ptr。因此，初始的引用计数是 1。
线程 t1 和 t2 的操作：
每个线程将 p 赋值给一个包含 10000 个元素的向量中的每个元素。
每次赋值操作都会增加 p 的引用计数。
由于有两个线程，每个线程都会增加 10000 次引用计数。
因此，总的引用计数增加量是 10000+10000=20000
最终引用计数：
初始引用计数 1 加上两个线程增加的引用计数 20000，总引用计数为 1+20000=20001
这里的关键在于每次赋值操作都会原子地增加引用计数。因此，即使两个线程同时执行 sp_arr[i] = p;，也不会导致数据竞争或未定义行为。
02
线程不安全的部分
2.1、 对象的访问
尽管 std::shared_ptr 的引用计数是线程安全的，但对所管理对象的访问并不是线程安全的。如果多个线程同时访问同一个 shared_ptr 管理的对象，并且至少有一个线程在修改该对象，那么就需要额外的同步机制（如互斥锁）来确保线程安全。
std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>(0);void modify_memory() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {(*p1)++;}}int main(){std::thread t1(modify_memory);std::thread t2(modify_memory);t1.join();t2.join();std::cout << "Final value of p: " << *p1 << std::endl;return 0;}
上面的代码运行，输出的结果不是预想的20000，每次运行输出的结果都会发生变化。因此同时修改shared_ptr指向的对象不是线程安全的。
2.2、直接修改shared_ptr对象本身的指向
如果多个线程同时修改同一个 std::shared_ptr 对象的指向（例如，使用赋值操作或重置操作），这将导致数据竞争。
数据竞争可能导致以下问题：
引用计数的损坏：如果一个线程在修改 shared_ptr 的指向时，另一个线程也在修改它，可能会导致引用计数不一致，从而导致内存泄漏或双重释放。
未定义行为：访问已释放的内存或访问无效的指针。
std::shared_ptr<int> sharedPtr = std::make_shared<int>(42); // 创建一个 shared_ptrvoid modifySharedPtr() {// 直接修改 shared_ptr 的指向sharedPtr = std::make_shared<int>(100); // 不安全的操作}int main() {std::thread t1(modifySharedPtr);std::thread t2(modifySharedPtr);t1.join();t2.join();std::cout << "Value: " << *sharedPtr << std::endl; // 可能导致未定义行为return 0;}
多次运行上面的代码会发现，输出的value值有时候会是一个乱码数字，不是预期的100。为了避免这些问题，需要使用互斥锁（std::mutex）来同步对 sharedPtr 的修改。
std::shared_ptr<int> sharedPtr = std::make_shared<int>(42); // 创建一个 shared_ptrstd::mutex mtx; // 互斥锁void modifySharedPtr() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 加锁sharedPtr = std::make_shared<int>(100); // 安全地修改指向}
03
总结
1.std::shared_ptr 的引用计数操作是线程安全的。
2.对std::shared_ptr 所指向的对象的访问需要额外的同步机制（如 std::mutex）来保证线程安全。
3.直接修改 std::shared_ptr 对象本身的指向在多线程环境中是不安全的，可能导致数据竞争和未定义行为。
end
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