C++開發：為什麼多線程讀寫shared_ptr要加鎖的詳細介紹

我在《Linux 多線程服務端編程：使用 muduo C++ 網路程式庫》第 1.9 節“再論 shared_ptr 的安全執行緒”中寫道：

（shared_ptr）的引用計數本身是安全且無鎖的，但對象的讀寫則不是，因為 shared_ptr 有兩個資料成員，讀寫操作不能原子化。根據文檔（http://www.boost.org/doc/libs/release/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm#ThreadSafety）， shared_ptr 的安全執行緒層級和內建類型、標準庫容器、std::string 一樣，即：

• 一個 shared_ptr 對象實體可被多個線程同時讀取（文檔例1）；

• 兩個 shared_ptr 對象實體可以被兩個線程同時寫入（例2），“析構”算寫操作；

• 如果要從多個線程讀寫同一個 shared_ptr 對象，那麼需要加鎖（例3~5）。

請注意，以上是 shared_ptr 對象本身的安全執行緒層級，不是它管理的對象的安全執行緒層級。

後文（p.18）則介紹如何高效地加鎖解鎖。本文則具體分析一下為什麼“因為 shared_ptr 有兩個資料成員，讀寫操作不能原子化”使得多線程讀寫同一個 shared_ptr 對象需要加鎖。這個在我看來顯而易見的結論似乎也有人抱有疑問，那將導致災難性的後果，值得我寫這篇文章。本文以 boost::shared_ptr 為例，與 std::shared_ptr 可能略有區別。

shared_ptr 的資料結構

shared_ptr 是引用計數型（reference counting）智能指標，幾乎所有的實現都採用在堆（heap）上放個計數值（count）的辦法（除此之外理論上還有用迴圈鏈表的辦法，不過沒有執行個體）。具體來說，shared_ptr<Foo> 包含兩個成員，一個是指向 Foo 的指標 ptr，另一個是 ref_count 指標（其類型不一定是原始指標，有可能是 class 類型，但不影響這裡的討論），指向堆上的 ref_count 對象。ref_count 對象有多個成員，具體的資料結構 1 所示，其中 deleter 和 allocator 是可選的。

圖 1：shared_ptr 的資料結構。

為了簡化並突出重點，後文只畫出 use_count 的值：

以上是 shared_ptr<Foo> x(new Foo); 對應的記憶體資料結構。

如果再執行 shared_ptr<Foo> y = x; 那麼對應的資料結構如下。

但是 y=x 涉及兩個成員的複製，這兩步拷貝不會同時（原子）發生。

中間步驟 1，複製 ptr 指標：

中間步驟 2，複製 ref_count 指標，導致引用計數加 1：

步驟1和步驟2的先後順序跟實現相關（因此步驟 2 裡沒有畫出 y.ptr 的指向），我見過的都是先1後2。

既然 y=x 有兩個步驟，如果沒有 mutex 保護，那麼在多線程裡就有 race condition。

多線程無保護讀寫 shared_ptr 可能出現的 race condition

考慮一個簡單的情境，有 3 個 shared_ptr<Foo> 對象 x、g、n：

shared_ptr<Foo> g(new Foo); // 線程之間共用的 shared_ptrshared_ptr<Foo> x; // 線程 A 的局部變數shared_ptr<Foo> n(new Foo); // 線程 B 的局部變數

一開始，各安其事。

線程 A 執行 x = g; （即 read g），以下完成了步驟 1，還沒來及執行步驟 2。這時切換到了 B 線程。

同時編程 B 執行 g = n; （即 write g），兩個步驟一起完成了。

先是步驟 1：

再是步驟 2：

這是 Foo1 對象已經銷毀，x.ptr 成了空懸指標！

最後回到線程 A，完成步驟 2：

多線程無保護地讀寫 g，造成了“x 是空懸指標”的後果。這正是多線程讀寫同一個 shared_ptr 必須加鎖的原因。

當然，race condition 遠不止這一種，其他線程交織（interweaving）有可能會造成其他錯誤。

思考，假如 shared_ptr 的 operator= 實現是先複製 ref_count（步驟 2）再複製 ptr（步驟 1），會有哪些 race condition？

雜項shared_ptr 作為 unordered_map 的 key

如果把 boost::shared_ptr 放到 unordered_set 中，或者用於 unordered_map 的 key，那麼要小心 hash table 退化為鏈表。http://stackoverflow.com/questions/6404765/c-shared-ptr-as-unordered-sets-key/12122314#12122314

直到 Boost 1.47.0 發布之前，unordered_set<std::shared_ptr<T> > 雖然可以編譯通過，但是其 hash_value 是 shared_ptr 隱式轉換為 bool 的結果。也就是說，如果不自訂hash函數，那麼 unordered_{set/map} 會退化為鏈表。https://svn.boost.org/trac/boost/ticket/5216

Boost 1.51 在 boost/functional/hash/extensions.hpp 中增加了有關重載，現在只要包含這個標頭檔就能安全高效地使用 unordered_set<std::shared_ptr> 了。

這也是 muduo 的 examples/idleconnection 樣本要自己定義 hash_value(const boost::shared_ptr<T>& x) 函數的原因（書第 7.10.2 節，p.255）。因為 Debian 6 Squeeze、Ubuntu 10.04 LTS 裡的 boost 版本都有這個 bug。

為什麼圖 1 中的 ref_count 也有指向 Foo 的指標？

shared_ptr<Foo> sp(new Foo) 在構造 sp 的時候捕獲了 Foo 的析構行為。實際上 shared_ptr.ptr 和 ref_count.ptr 可以是不同的類型（只要它們之間存在隱式轉換），這是 shared_ptr 的一大功能。分 3 點來說：

1. 無需虛析構；假設 Bar 是 Foo 的基類，但是 Bar 和 Foo 都沒有虛析構。

shared_ptr<Foo> sp1(new Foo); // ref_count.ptr 的類型是 Foo*

shared_ptr<Bar> sp2 = sp1; // 可以賦值，自動向上轉型（up-cast）

sp1.reset(); // 這時 Foo 對象的引用計數降為 1

此後 sp2 仍然能安全地管理 Foo 對象的生命期，並安全完整地釋放 Foo，因為其 ref_count 記住了 Foo 的實際類型。

2. shared_ptr<void> 可以指向並安全地管理（析構或防止析構）任何對象；muduo::net::Channel class 的 tie() 函數就使用了這一特性，防止對象過早析構，見書 7.15.3 節。

shared_ptr<Foo> sp1(new Foo); // ref_count.ptr 的類型是 Foo*

shared_ptr<void> sp2 = sp1; // 可以賦值，Foo* 向 void* 自動轉型

sp1.reset(); // 這時 Foo 對象的引用計數降為 1

此後 sp2 仍然能安全地管理 Foo 對象的生命期，並安全完整地釋放 Foo，不會出現 delete void* 的情況，因為 delete 的是 ref_count.ptr，不是 sp2.ptr。

3. 多繼承。假設 Bar 是 Foo 的多個基類之一，那麼：

shared_ptr<Foo> sp1(new Foo);

shared_ptr<Bar> sp2 = sp1; // 這時 sp1.ptr 和 sp2.ptr 可能指向不同的地址，因為 Bar subobject 在 Foo object 中的 offset 可能不為0。

sp1.reset(); // 此時 Foo 對象的引用計數降為 1

但是 sp2 仍然能安全地管理 Foo 對象的生命期，並安全完整地釋放 Foo，因為 delete 的不是 Bar*，而是原來的 Foo*。換句話說，sp2.ptr 和 ref_count.ptr 可能具有不同的值（當然它們的類型也不同）。

為什麼要盡量使用 make_shared()？

為了節省一次記憶體配置，原來 shared_ptr<Foo> x(new Foo); 需要為 Foo 和 ref_count 各分配一次記憶體，現在用 make_shared() 的話，可以一次分配一塊足夠大的記憶體，供 Foo 和 ref_count 對象容身。資料結構是：

不過 Foo 的建構函式參數要傳給 make_shared()，後者再傳給 Foo::Foo()，這隻有在 C++11 裡通過 perfect forwarding 才能完美解決。