6.6、std::shared_ptr（引用计数共享）
什么是std::shared_ptr？用大白话解释
你和几个朋友一起买了一台昂贵的游戏机，大家轮流玩，谁也不想自己用完就卖掉，但又得确保最后没人用的时候把它处理掉。std::shared_ptr就像是管理这台游戏机的“智能管家”。它是一个智能指针，允许多个指针共享同一个对象的所有权，通过一个叫“引用计数”的机制来追踪有多少个shared_ptr在用这个对象。只要还有一个shared_ptr在用，对象就不会被销毁；当最后一个shared_ptr不再指向它时，对象才会被自动释放。
简单来说，std::shared_ptr帮你自动管理内存，避免了手动delete的麻烦，也大大降低了内存泄漏和野指针的风险。它是C++11引入的，核心目标就是让程序员从繁琐的内存管理中解放出来，专注于业务逻辑。
用起来也很简单，你只需要包含头文件，然后用std::make_shared创建对象。比如：
#include <memory>
#include <iostream>
class GameConsole {
public:
GameConsole() { std::cout << "游戏机启动！\n"; }
~GameConsole() { std::cout << "游戏机关闭！\n"; }
};
int main() {
std::shared_ptr<GameConsole> console1 = std::make_shared<GameConsole>();
std::shared_ptr<GameConsole> console2 = console1; // 共享同一个对象
std::cout << "当前使用者数量: " << console1.use_count() << "\n";
console1 = nullptr; // console1放弃所有权
std::cout << "console1放弃后，使用者数量: " << console2.use_count() << "\n";
console2 = nullptr; // 最后一个放弃，对象被销毁
return 0;
}运行这段代码，你会看到引用计数的变化和对象的销毁过程。这就是shared_ptr的魔法--自动管理，省心省力。
为什么需要std::shared_ptr？它的设计哲学
我可以告诉你，shared_ptr的设计初衷是解决传统指针在多所有权场景下的痛点。在C++中，动态分配的内存如果没有明确的所有权归属，很容易导致“谁来释放”的问题。shared_ptr通过引用计数机制，清晰地定义了“共享所有权”的概念：只要还有人用，资源就活着；没人用，就自动销毁。这种设计不仅符合C++一贯的“零开销抽象”原则（引用计数的开销极小且线程安全），还体现了C++11对程序员友好的转变--减少心智负担，提升代码安全性。
深度案例：模拟资源共享与动态管理
为了让你真正理解std::shared_ptr的底层工作原理，我设计了一个有深度的案例：模拟一个多线程环境下的资源共享系统。假设我们有一个数据库连接池，多个线程需要共享数据库连接，但连接的创建和销毁成本很高，我们希望通过shared_ptr来管理连接的生命周期。
以下是代码实现：
#include <memory>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <mutex>
class DatabaseConnection {
public:
DatabaseConnection() { std::cout << "数据库连接创建\n"; }
~DatabaseConnection() { std::cout << "数据库连接销毁\n"; }
void query() { std::cout << "执行查询操作\n"; }
};
void worker(std::shared_ptr<DatabaseConnection> conn, int id, std::mutex& mtx) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // 模拟工作时间
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
std::cout << "线程" << id << "开始使用连接，引用计数: " << conn.use_count() << "\n";
conn->query();
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
}
int main() {
std::mutex mtx;
std::shared_ptr<DatabaseConnection> dbConn = std::make_shared<DatabaseConnection>();
std::cout << "主线程创建连接，引用计数: " << dbConn.use_count() << "\n";
std::thread t1(worker, dbConn, 1, std::ref(mtx));
std::thread t2(worker, dbConn, 2, std::ref(mtx));
std::thread t3(worker, dbConn, 3, std::ref(mtx));
std::cout << "所有线程启动，引用计数: " << dbConn.use_count() << "\n";
dbConn = nullptr; // 主线程放弃所有权
std::cout << "主线程放弃连接，引用计数: " << dbConn.use_count() << "\n";
t1.join();
t2.join();
t3.join();
std::cout << "所有线程结束，连接应已销毁\n";
return 0;
}案例解析与底层细节：
这个案例展示了shared_ptr在多线程环境下的强大之处。咱们来拆解一下关键点：
- • 引用计数机制：shared_ptr内部维护一个控制块，包含引用计数、弱引用计数等信息。每次拷贝shared_ptr（如传给线程时），引用计数加1；当某个shared_ptr被销毁或赋值为nullptr时，引用计数减1。计数为0时，控制块会调用析构函数销毁对象。
- • 线程安全：shared_ptr的引用计数操作是原子性的，这意味着在多线程环境下，计数增减不会出现数据竞争问题。
- • 内存分配优化：我特意用了std::make_shared来创建对象，它一次性分配对象和控制块的内存，避免了多次分配带来的性能开销，比直接用new构造要高效。
- • 生命周期管理：主线程放弃所有权后，引用计数减1，但由于线程仍在使用，对象不会被销毁。直到最后一个线程结束，引用计数归零，连接才被销毁。
通过这个案例，你可以看到shared_ptr如何优雅地处理资源共享问题，尤其是在复杂场景下，它能确保资源不会过早释放，也不会泄漏。
常见错误使用：别踩这些坑
虽然shared_ptr很强大，但用不好也会翻车。以下是几个常见的错误，务必注意：
- • 用裸指针多次构造shared_ptr：如果你用同一个原始指针（如this）多次构造shared_ptr，会导致多个控制块和引用计数，最终对象被多次销毁，程序崩溃。解决办法是使用std::enable_shared_from_this来安全获取shared_ptr。
- • 在构造函数中调用shared_from_this：对象构造时，shared_ptr的控制块尚未完全初始化，调用shared_from_this会导致未定义行为甚至抛出异常。正确的做法是把构造函数设为私有，通过工厂方法创建对象。
- • 循环引用：如果两个对象通过shared_ptr互相引用，引用计数永远不会归零，导致内存泄漏。解决办法是用std::weak_ptr打破循环。
面试中可能遇到的问题
在面试中，shared_ptr是一个高频考点，考官往往会从原理到实践全面考察你的理解。以下是几个典型问题及应对思路：
- • 问题1：shared_ptr的引用计数是如何实现的？是否线程安全？
回答：引用计数存储在控制块中，通过原子操作实现增减，确保线程安全。但注意，shared_ptr本身线程安全不代表它管理的对象线程安全，访问对象时仍需加锁。 - • 问题2：为什么推荐用make_shared而非new？
回答：make_shared一次性分配对象和控制块内存，减少分配次数，提升性能，同时避免了异常安全问题。 - • 问题3：如何避免shared_ptr的循环引用？
回答：用weak_ptr替代其中一个shared_ptr，weak_ptr不增加引用计数，能打破循环，确保资源释放。
总结
std::shared_ptr是C++11中内存管理的一大革新，它通过引用计数实现了共享所有权的自动管理，让程序员从繁琐的delete中解放出来。你应该已经掌握了它的核心用法和底层原理。记住，避免常见错误，理解它的设计哲学，面试中也能游刃有余。希望你能将shared_ptr灵活运用到自己的项目中，写出更安全、更高效的代码！
本文首发于【讳疾忌医-note】公众号，未经授权，不得转载。
（加入我的知识星球，免费获取账号，解锁所有文章。）
