为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁？

た入场券 2022-08-13 13:57 255阅读 0赞

## [为什么多线程读写 shared\_ptr 要加锁？][shared_ptr] ##

（shared\_ptr）的引用计数本身是安全且无锁的，但对象的读写则不是，因为 shared\_ptr 有两个数据成员，读写操作不能原子化。根据文档（[http://www.boost.org/doc/libs/release/libs/smart\_ptr/shared\_ptr.htm\#ThreadSafety][http_www.boost.org_doc_libs_release_libs_smart_ptr_shared_ptr.htm_ThreadSafety]）， shared\_ptr 的线程安全级别和内建类型、标准库容器、std::string 一样，即：

• 一个 shared\_ptr 对象实体可被多个线程同时读取（文档例1）；

• 两个 shared\_ptr 对象实体可以被两个线程同时写入（例2），“析构”算写操作；

• 如果要从多个线程读写同一个 shared\_ptr 对象，那么需要加锁（例3~5）。

请注意，以上是 shared\_ptr 对象本身的线程安全级别，不是它管理的对象的线程安全级别。

后文（p.18）则介绍如何高效地加锁解锁。本文则具体分析一下为什么“因为 shared\_ptr 有两个数据成员，读写操作不能原子化”使得多线程读写同一个 shared\_ptr 对象需要加锁。这个在我看来显而易见的结论似乎也有人抱有疑问，那将导致灾难性的后果，值得我写这篇文章。本文以 boost::shared\_ptr 为例，与 std::shared\_ptr 可能略有区别。

# shared\_ptr 的数据结构 #

shared\_ptr 是引用计数型（reference counting）智能指针，几乎所有的实现都采用在堆（heap）上放个计数值（count）的办法（除此之外理论上还有用循环链表的办法，不过没有实例）。具体来说，shared\_ptr<Foo> 包含两个成员，一个是指向 Foo 的指针 ptr，另一个是 ref\_count 指针（其类型不一定是原始指针，有可能是 class 类型，但不影响这里的讨论），指向堆上的 ref\_count 对象。ref\_count 对象有多个成员，具体的数据结构如图 1 所示，其中 deleter 和 allocator 是可选的。

![sp0][]

图 1：shared\_ptr 的数据结构。

为了简化并突出重点，后文只画出 use\_count 的值：

![sp1][]

以上是 shared\_ptr<Foo> x(new Foo); 对应的内存数据结构。

如果再执行 shared\_ptr<Foo> y = x; 那么对应的数据结构如下。

![sp2][]

但是 y=x 涉及两个成员的复制，这两步拷贝不会同时（原子）发生。

中间步骤 1，复制 ptr 指针：

![sp3][]

中间步骤 2，复制 ref\_count 指针，导致引用计数加 1：

![sp4][]

步骤1和步骤2的先后顺序跟实现相关（因此步骤 2 里没有画出 y.ptr 的指向），我见过的都是先1后2。

既然 y=x 有两个步骤，如果没有 mutex 保护，那么在多线程里就有 race condition。

# 多线程无保护读写 shared\_ptr 可能出现的 race condition #

考虑一个简单的场景，有 3 个 shared\_ptr<Foo> 对象 x、g、n：

*  shared\_ptr<Foo> g(new Foo); // 线程之间共享的 shared\_ptr
 *  shared\_ptr<Foo> x; // 线程 A 的局部变量
 *  shared\_ptr<Foo> n(new Foo); // 线程 B 的局部变量

一开始，各安其事。

![sp5][]

线程 A 执行 x = g; （即 read g），以下完成了步骤 1，还没来及执行步骤 2。这时切换到了 B 线程。

![sp6][]

同时编程 B 执行 g = n; （即 write g），两个步骤一起完成了。

先是步骤 1：

![sp7][]

再是步骤 2：

![sp8][]

这是 Foo1 对象已经销毁，x.ptr 成了空悬指针！

最后回到线程 A，完成步骤 2：

![sp9][]

多线程无保护地读写 g，造成了“x 是空悬指针”的后果。这正是多线程读写同一个 shared\_ptr 必须加锁的原因。

当然，race condition 远不止这一种，其他线程交织（interweaving）有可能会造成其他错误。

思考，假如 shared\_ptr 的 operator= 实现是先复制 ref\_count（步骤 2）再复制 ptr（步骤 1），会有哪些 race condition？

# 杂项 #

## shared\_ptr 作为 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 退化为链表。[http://stackoverflow.com/questions/6404765/c-shared-ptr-as-unordered-sets-key/12122314\#12122314][http_stackoverflow.com_questions_6404765_c-shared-ptr-as-unordered-sets-key_12122314_12122314]

直到 Boost 1.47.0 发布之前，unordered\_set<std::shared\_ptr<T> > 虽然可以编译通过，但是其 hash\_value 是 shared\_ptr 隐式转换为 bool 的结果。也就是说，如果不自定义hash函数，那么 unordered\_\{set/map\} 会退化为链表。[https://svn.boost.org/trac/boost/ticket/5216][https_svn.boost.org_trac_boost_ticket_5216]

Boost 1.51 在 boost/functional/hash/extensions.hpp 中增加了有关重载，现在只要包含这个头文件就能安全高效地使用 unordered\_set<std::shared\_ptr> 了。

这也是 muduo 的 examples/idleconnection 示例要自己定义 hash\_value(const boost::shared\_ptr<T>& x) 函数的原因（书第 7.10.2 节，p.255）。因为 Debian 6 Squeeze、Ubuntu 10.04 LTS 里的 boost 版本都有这个 bug。

## 为什么图 1 中的 ref\_count 也有指向 Foo 的指针？ ##

shared\_ptr<Foo> sp(new Foo) 在构造 sp 的时候捕获了 Foo 的析构行为。实际上 shared\_ptr.ptr 和 ref\_count.ptr 可以是不同的类型（只要它们之间存在隐式转换），这是 shared\_ptr 的一大功能。分 3 点来说：

**1. 无需虚析构；**假设 Bar 是 Foo 的基类，但是 Bar 和 Foo 都没有虚析构。

shared\_ptr<Foo> sp1(new Foo); // ref\_count.ptr 的类型是 Foo\*

shared\_ptr<Bar> sp2 = sp1; // 可以赋值，自动向上转型（up-cast）

sp1.reset(); // 这时 Foo 对象的引用计数降为 1

此后 sp2 仍然能安全地管理 Foo 对象的生命期，并安全完整地释放 Foo，因为其 ref\_count 记住了 Foo 的实际类型。

**2. shared\_ptr<void>** 可以指向并安全地管理（析构或防止析构）任何对象；muduo::net::Channel class 的 tie() 函数就使用了这一特性，防止对象过早析构，见书 7.15.3 节。

shared\_ptr<Foo> sp1(new Foo); // ref\_count.ptr 的类型是 Foo\*

shared\_ptr<void> sp2 = sp1; // 可以赋值，Foo\* 向 void\* 自动转型

sp1.reset(); // 这时 Foo 对象的引用计数降为 1

此后 sp2 仍然能安全地管理 Foo 对象的生命期，并安全完整地释放 Foo，不会出现 delete void\* 的情况，因为 delete 的是 ref\_count.ptr，不是 sp2.ptr。

**3. 多继承。**假设 Bar 是 Foo 的多个基类之一，那么：

shared\_ptr<Foo> sp1(new Foo);

shared\_ptr<Bar> sp2 = sp1; // 这时 sp1.ptr 和 sp2.ptr 可能指向不同的地址，因为 Bar subobject 在 Foo object 中的 offset 可能不为0。

sp1.reset(); // 此时 Foo 对象的引用计数降为 1

但是 sp2 仍然能安全地管理 Foo 对象的生命期，并安全完整地释放 Foo，因为 delete 的不是 Bar\*，而是原来的 Foo\*。换句话说，sp2.ptr 和 ref\_count.ptr 可能具有不同的值（当然它们的类型也不同）。

## 为什么要尽量使用 make\_shared()？ ##

为了节省一次内存分配，原来 shared\_ptr<Foo> x(new Foo); 需要为 Foo 和 ref\_count 各分配一次内存，现在用 make\_shared() 的话，可以一次分配一块足够大的内存，供 Foo 和 ref\_count 对象容身。数据结构是：

![sp10][]

不过 Foo 的构造函数参数要传给 make\_shared()，后者再传给 Foo::Foo()，这只有在 C++11 里通过 perfect forwarding 才能完美解决。

(.完.)

[shared_ptr]: http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2013/01/28/2879366.html
[http_www.boost.org_doc_libs_release_libs_smart_ptr_shared_ptr.htm_ThreadSafety]: http://www.boost.org/doc/libs/release/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm#ThreadSafety
[sp0]: /images/20220810/e647affc3b5e4a4d8aead6214f84be69.png
[sp1]: /images/20220810/f98b5526faea4b8f95b841eaf6c91560.png
[sp2]: /images/20220810/d59e9903103b48148d17fd0b19852a54.png
[sp3]: /images/20220810/79d957baeb9c44a9b3339a740a60b054.png
[sp4]: /images/20220810/20fbc13e6fde43d3859cae8b81dc01b5.png
[sp5]: /images/20220810/580a51b91f8a447784bc15c0df5dc7a4.png
[sp6]: /images/20220810/7ac574c72da44cbe998002e877556a65.png
[sp7]: /images/20220810/ec5d296e2e634cfebd0390c512b7bdca.png
[sp8]: /images/20220810/1efb232f6e294004a770850eddc8a914.png
[sp9]: /images/20220810/427edd04dcc242f7a313e8bb1e65c607.png
[http_stackoverflow.com_questions_6404765_c-shared-ptr-as-unordered-sets-key_12122314_12122314]: http://stackoverflow.com/questions/6404765/c-shared-ptr-as-unordered-sets-key/12122314#12122314
[https_svn.boost.org_trac_boost_ticket_5216]: https://svn.boost.org/trac/boost/ticket/5216
[sp10]: /images/20220810/0002202b855d46679bc840ef090d463d.png