C++ `shared_ptr` 多线程使用

C++ shared_ptr 多线程使用

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一、核心结论

• 引用计数：shared_ptr 的引用计数操作是原子的，线程安全
• 控制块修改：修改 shared_ptr 指向的对象需要同步
• 被管理对象：若对象本身非线程安全，访问时仍需加锁

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二、分场景详解

场景1：多线程读取同一 shared_ptr

#include <memory>
#include <thread>
#include <iostream>
#include <vector>std::shared_ptr<int> global_ptr = std::make_shared<int>(42);void reader() {auto local = global_ptr; // 安全：引用计数原子增加std::cout << "read: " << *local << "\n";
}int main() {std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 5; ++i) {threads.emplace_back(reader);}for (auto& t : threads) t.join();
}

输出：

read: read: 42
42
read: 42
read: 42
read: 42

场景2：多线程修改同一 shared_ptr

#include <memory>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>std::shared_ptr<int> globalPtr;
std::mutex mtx;void writer(int val) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);globalPtr = std::make_shared<int>(val); // 必须加锁
}int main() {std::thread t1(writer, 100);std::thread t2(writer, 200);t1.join();t2.join();std::cout << "final value: " << *globalPtr << "\n"; // 200
}

场景3：访问被管理对象

#include <memory>
#include <thread>
#include <mutex>struct Counter {int value = 0;std::mutex mtx;
};std::shared_ptr<Counter> counter = std::make_shared<Counter>();void increment() {std::lock_guard<std::mutex> lock(counter->mtx);++counter->value;
}int main() {std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 10; ++i) {threads.emplace_back(increment);}for (auto& t : threads) t.join();std::cout << "结果: " << counter->value << "\n"; // 10
}

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三、错误案例（未正确同步）

#include <memory>
#include <thread>
#include <vector>std::shared_ptr<int> unsafe_ptr;void unsafe_writer() {unsafe_ptr = std::make_shared<int>(42); // 数据竞争
}void unsafe_reader() {if (auto local = unsafe_ptr) { // 可能读到中间状态std::cout << *local << "\n";}
}int main() {std::thread t1(unsafe_writer);std::thread t2(unsafe_reader);t1.join();t2.join();
}

可能结果：

0       // 未初始化值
42      // 正确值
Segmentation fault  // 崩溃

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四、正确实现（完整示例）

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>// 共享资源
struct Data {int value = 0;std::mutex mtx;
};std::shared_ptr<Data> global_data;
std::mutex globalMtx;void writer(int val) {// 安全修改指针auto new_data = std::make_shared<Data>();{std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMtx);global_data = new_data;}// 安全修改数据std::lock_guard<std::mutex> data_lock(new_data->mtx);new_data->value = val;
}void reader() {std::shared_ptr<Data> local_ptr;{std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMtx);local_ptr = global_data; // 安全获取副本}if (local_ptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(local_ptr->mtx);std::cout << "read: " << local_ptr->value << "\n";}
}int main() {std::vector<std::thread> writers;std::vector<std::thread> readers;// 启动3个写入线程for (int i = 0; i < 3; ++i) {writers.emplace_back(writer, i * 100);}// 启动5个读取线程for (int i = 0; i < 5; ++i) {readers.emplace_back(reader);}for (auto& t : writers) t.join();for (auto& t : readers) t.join();return 0;
}

典型输出：

读取: 200
读取: 200
读取: 200
读取: 200
读取: 200

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五、编译与运行

1. 编译命令：

   g++ -std=c++17 -pthread -o shared_ptr_thread shared_ptr_thread.cpp
   

2. 运行结果：

   $ ./shared_ptr_thread
   读取: 200
   读取: 200
   

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六、线程安全总结

操作类型	是否需要锁	说明
拷贝/析构 shared_ptr	否	引用计数操作是原子的
修改 shared_ptr 指向	是	修改指向的对象需要同步
访问被管理对象	取决于对象	若对象非线程安全则需锁
同时读写不同 shared_ptr	否	不同实例互不影响

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七、最佳实践

1. 最小化共享：尽量让每个线程持有自己的 shared_ptr 副本
2. 分层加锁：
   • 第一层锁保护 shared_ptr 的修改
   • 第二层锁保护被管理对象的访问
3. 使用 weak_ptr 打破循环：

   std::shared_ptr<Node> parent;
   std::weak_ptr<Node> child; // 避免循环引用