面试题：请介绍 C++ 中 shared_ptr 的原理？shared_ptr 线程安全吗？

std::shared_ptr 是 C++ 标准库中的一种智能指针，用于管理动态分配的对象生命周期。它通过引用计数机制实现多个 std::shared_ptr 共享对象的所有权。理解 std::shared_ptr 的原理需要从它的内部实现、引用计数机制以及线程安全性入手。

`std::shared_ptr` 的原理

1. 引用计数机制

std::shared_ptr 的核心是引用计数机制。每个由 std::shared_ptr 管理的对象都会关联一个控制块（control block），控制块中存储以下信息：

强引用计数（use count）：记录当前有多少个 std::shared_ptr 共享对象的所有权。
弱引用计数（weak count）：记录当前有多少个 std::weak_ptr 正在观察对象。
指向对象的指针：指向实际管理的对象。
删除器（deleter）：用于自定义对象的销毁方式（可选）。

当一个新的 std::shared_ptr 指向同一个对象时，强引用计数会增加；当一个 std::shared_ptr 被销毁或重置时，强引用计数会减少。当强引用计数归零时，对象会被销毁，但控制块不会立即释放，直到弱引用计数也归零。

2. 控制块的创建

控制块的创建方式有两种：

通过 std::make_shared 创建：
- std::make_shared 会一次性分配内存，既存储对象又存储控制块。
- 这种方式更高效，因为减少了内存分配次数。
通过 std::shared_ptr 构造函数创建：
- 如果直接使用 new 创建对象并传递给 std::shared_ptr，则会单独分配控制块。
- 这种方式会导致两次内存分配（对象和控制块）。

3. 共享所有权

多个 std::shared_ptr 可以共享同一个对象的所有权。每个 std::shared_ptr 都指向相同的控制块，并通过控制块管理对象的生命周期。

`std::shared_ptr` 的线程安全性

1. 引用计数的线程安全性

std::shared_ptr 的引用计数操作是原子的，因此多个线程同时拷贝或销毁 std::shared_ptr 是线程安全的。

2. 对象访问的线程安全性

std::shared_ptr 只保证引用计数的线程安全性，不保证对象本身的线程安全性。
如果多个线程同时访问同一个对象，需要额外的同步机制（如互斥锁）来保证线程安全。

3. 控制块的线程安全性

控制块的操作（如引用计数的增减）是线程安全的，但控制块中的其他数据（如删除器）可能不是线程安全的。

4. 注意事项

如果多个线程同时修改同一个 std::shared_ptr 对象（例如赋值或重置），可能会导致竞争条件。此时需要使用原子操作或互斥锁来保护。

使用示例

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructed!" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed!" << std::endl; }
    void doSomething() { std::cout << "Doing something!" << std::endl; }
};

void thread_func(std::shared_ptr<MyClass> ptr) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    ptr->doSomething();
}

int main() {
    std::shared_ptr<MyClass> ptr = std::make_shared<MyClass>();

    std::thread t1(thread_func, ptr);
    std::thread t2(thread_func, ptr);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

输出：

MyClass constructed!
Doing something!
Doing something!
MyClass destroyed!

总结

原理：
- std::shared_ptr 通过引用计数机制管理对象的生命周期。
- 控制块存储引用计数和对象指针，多个 std::shared_ptr 共享同一个控制块。
线程安全性：
- 引用计数操作是线程安全的。
- 对象访问和控制块的其他操作需要额外的同步机制来保证线程安全。

这个问题考察的是对 std::shared_ptr 的实现原理和线程安全性的理解，是 C++ 面试中的常见题目。

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