shared_ptr线程安全性分析

正如《STL源码剖析》所讲，“源码之前，了无秘密”。本文基于shared_ptr的源代码，提取了shared_ptr的类图和对象图，然后分析了shared_ptr如何保证文档所宣称的线程安全性。本文的分析基于boost 1.52版本，编译器是VC 2010。

shared_ptr的线程安全性

boost官方文档对shared_ptr线程安全性的正式表述是：shared_ptr对象提供与内置类型相同级别的线程安全性。【shared_ptrobjects offer the same level of thread safety as built-in types.】具体是以下三点。

1. 同一个shared_ptr对象可以被多线程同时读取。【A shared_ptrinstance can be "read" (accessed using only const operations)simultaneously by multiple threads.】

2. 不同的shared_ptr对象可以被多线程同时修改（即使这些shared_ptr对象管理着同一个对象的指针）。【Different shared_ptr instances can be "written to"(accessed using mutable operations such as operator= or reset) simultaneouslyby multiple threads (even when these instances are copies, and share the samereference count underneath.) 】

3. 任何其他并发访问的结果都是无定义的。【Any other simultaneous accesses result in undefined behavior.】

第一种情况是对对象的并发读，自然是线程安全的。

第二种情况下，如果两个shared_ptr对象A和B管理的是不同对象的指针，则这两个对象完全不相关，支持并发写也容易理解。但如果A和B管理的是同一个对象P的指针，则A和B需要维护一块共享的内存区域，该区域记录P指针当前的引用计数。对A和B的并发写必然涉及对该引用计数内存区的并发修改，这需要boost做额外的工作，也是本文分析的重点。

另外weak_ptr和shared_ptr紧密相关，用户可以从weak_ptr构造出shared_ptr，也可以从shared_ptr构造weak_ptr，但是weak_ptr不涉及到对象的生命周期。由于shared_ptr的线程安全性是和weak_ptr耦合在一起的，本文的分析也涉及到weak_ptr。

下面先从总体上看一下shared_ptr和weak_ptr的实现。

shared_ptr的结构图

以下是从boost源码提取出的shared_ptr和weak_ptr的类图。

我们首先忽略虚线框内的weak_ptr部分。最高层的shared_ptr就是用户直接使用的类，它提供shared_ptr的构造、复制、重置(reset函数）、解引用、比较、隐式转换为bool等功能。它包含一个指向被管理对象的指针，用来实现解引用操作，并且组合了一个shared_count对象，用来操作引用计数。

但shared_count类还不是引用计数类，它只是包含了一个指向引用计数类sp_counted_base的指针，功能上是对sp_counted_base操作的封装。shared_count对象的创建、复制和删除等操作，包含着对sp_counted_base的增加和减小引用计数的操作。

最后sp_counted_base类才保存了引用计数，并且对引用计数字段提供无锁保护。它也包含了一个指向被管理对象的指针，是用来删除被管理的对象的。sp_counted_base有三个派生类，分别处理用户指定Deleter和Allocator的情况：

1. sp_counted_impl_p：用户没有指定Deleter和Allocator

2. sp_counted_impl_pd：用户指定了Deleter，没有指定Allocator

3. sp_counted_impl_pda：用户指定了Deleter和 Allocator

创建指针P的第一个shared_ptr对象的时候，子对象shared_count同时被建立， shared_count根据用户提供的参数选择创建一个特定的sp_counted_base派生类对象X。之后创建的所有管理P的shared_ptr对象都指向了这个独一无二的X。

然后再看虚线框内的weak_ptr就清楚了。weak_ptr和shared_ptr基本上类似，只不过weak_ptr包含的是weak_count子对象，但weak_count和shared_count也都指向了sp_counted_base。

如果上面的文字还不够清楚，下面的代码就能说明问题。

shared_ptr<SomeObject> SP1(new SomeObject());

shared_ptr<SomeObject> SP2=SP1;

weak_ptr<SomeObject> WP1=SP1;

执行完以上代码后，内存中会创建以下对象实例，其中红色箭头表示指向引用计数对象的指针，黑色箭头表示指向被管理对象的指针。

从上面可以清楚的看出，SP1、SP2和WP1指向了同一个sp_counted_impl_p对象，这个sp_counted_impl_p对象保存引用计数，是SP1、SP2和WP1等三个对象共同操作的内存区。多线程并发修改SP1、SP2和WP1，有且只有sp_counted_impl_p对象会被并发修改，因此sp_counted_impl_p的线程安全性是shared_ptr以及weak_ptr线程安全性的关键问题。而sp_counted_impl_p的线程安全性是在其基类sp_counted_base中实现的。下面将着重分析sp_counted_base的代码。