深入理解 C++20 中的 `std::shared_ptr` 原子操作

在多线程编程中，线程安全是一个至关重要的问题。C++11 引入了 std::shared_ptr，它通过引用计数机制提供了资源管理的便利性。然而，当多个线程需要共享和操作同一个 std::shared_ptr 对象时，线程安全问题仍然需要特别关注。幸运的是，C++ 标准库提供了针对 std::shared_ptr 的原子操作函数，这些函数可以帮助我们安全地在多线程环境中使用 std::shared_ptr。

1. std::shared_ptr 的线程安全问题

std::shared_ptr 的控制块是线程安全的，这意味着不同的 std::shared_ptr 对象可以同时访问同一个控制块，而不会引发数据竞争。然而，当多个线程需要访问和修改同一个 std::shared_ptr 对象时，问题就出现了。例如，如果一个线程正在通过 reset 或 operator= 修改 std::shared_ptr 的指向，而另一个线程正在读取它的值，那么就可能发生数据竞争。

2. std::shared_ptr 原子操作函数

为了在多线程环境中安全地使用 std::shared_ptr，C++11 引入了一系列原子操作函数。这些函数允许我们以原子方式对 std::shared_ptr 进行读取、存储、交换和比较交换操作。

2.1 原子读取和存储

• std::atomic_load 和 std::atomic_store：这两个函数允许我们以原子方式读取和存储 std::shared_ptr 的值。它们的显式版本（std::atomic_load_explicit 和 std::atomic_store_explicit）还允许我们指定内存顺序。

std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> loaded_ptr = std::atomic_load(&ptr); // 原子读取
std::atomic_store(&ptr, std::make_shared<int>(100)); // 原子存储

2.2 原子交换

• std::atomic_exchange：这个函数允许我们以原子方式交换 std::shared_ptr 的值。它会返回交换前的值。

std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> new_ptr = std::make_shared<int>(100);
std::shared_ptr<int> old_ptr = std::atomic_exchange(&ptr, new_ptr); // 原子交换

2.3 原子比较交换

• std::atomic_compare_exchange_weak 和 std::atomic_compare_exchange_strong：这两个函数允许我们以原子方式进行比较交换操作。它们的显式版本（std::atomic_compare_exchange_weak_explicit 和 std::atomic_compare_exchange_strong_explicit）还允许我们指定成功和失败时的内存顺序。

std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> expected = ptr;
std::shared_ptr<int> desired = std::make_shared<int>(100);
if (std::atomic_compare_exchange_strong(&ptr, &expected, desired)) {
    // 交换成功
} else {
    // 交换失败
}

3. 注意事项

• 互斥锁实现：这些原子操作函数通常使用互斥锁实现。这意味着它们可能比直接操作 std::shared_ptr 更慢，但在多线程环境中是安全的。
• 全局哈希表：互斥锁存储在全局哈希表中，指针值用作键。这可能会导致性能问题，尤其是在高并发场景下。
• 并发 TS：并发 TS 提供了原子智能指针类 atomic_shared_ptr 和 atomic_weak_ptr，以替代对这些函数的使用。这些类提供了更直观的语法和更好的性能。

4. 示例

以下是一个使用 std::shared_ptr 原子操作函数的简单示例：

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

void worker(std::shared_ptr<int> ptr) {
    std::shared_ptr<int> loaded_ptr = std::atomic_load(&ptr);
    std::cout << "Loaded value: " << *loaded_ptr << std::endl;
}

int main() {
    std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
    std::thread t1(worker, std::ref(ptr));
    std::thread t2(worker, std::ref(ptr));

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

    return 0;
}

在这个示例中，两个线程同时读取 std::shared_ptr 的值。通过使用 std::atomic_load，我们可以确保读取操作是原子的，从而避免数据竞争。

5. 总结

std::shared_ptr 的原子操作函数为我们提供了一种在多线程环境中安全使用 std::shared_ptr 的方法。虽然这些函数的实现可能涉及互斥锁，从而导致性能开销，但它们可以有效避免数据竞争。在高并发场景下，建议使用并发 TS 提供的原子智能指针类，以获得更好的性能。