2.3 shared_ptr：共享账户与引用计数

2.3 shared_ptr：共享账户与引用计数

本节摘要：shared_ptr 用引用计数实现共享所有权：计数记录当前户主数量，每一名新户主入账加一、销户减一，最后一名户主离开时自动销账。它解决"生命周期无法在编译期确定"的共享场景，代价是控制块内存与原子计数开销——从独占升级到共享，应当是设计结论而非默认习惯。

unique_ptr 解决了"谁销账"的疑问，但有一类账它管不了：对象的生命周期确实由多方共同决定。比如缓存里的热点数据，请求线程在用、后台刷新线程也在用，谁也不能单方面销账。本节承接 2.2 的独占制度，介绍标准库的共享账户——引用计数这笔账怎么记、开销花在哪、什么场景才值得用。

先看一笔账

引用计数是一场自动结算的多方记账。下面把每一笔计数变动都打出来：

#include <cstdio>
#include <memory>

struct Ledger {
    int id;
    explicit Ledger(int i) : id(i) { std::printf("  开户 票号 %d\n", id); }
    ~Ledger() { std::printf("  销账 票号 %d\n", id); }
};

void observe(std::shared_ptr<Ledger> p, const char* who) {
    std::printf("%s 入账，户主数 %ld\n", who, static_cast<long>(p.use_count()));
}   // p 析构 → 计数减一

int main() {
    auto a = std::make_shared<Ledger>(7);          // 开户，计数 1
    std::printf("开户完成，户主数 %ld\n", static_cast<long>(a.use_count()));

    {
        auto b = a;                                 // 拷贝：计数 2
        std::printf("b 入账，户主数 %ld\n", static_cast<long>(b.use_count()));
        observe(a, "observe 持有");                 // 函数内 3，返回后回落 2
        std::printf("observe 返回，户主数 %ld\n", static_cast<long>(a.use_count()));
    }   // b 离开作用域：计数 1
    std::printf("b 离开，户主数 %ld\n", static_cast<long>(a.use_count()));
    return 0;
}   // a 离开：计数 0，触发销账
​

输出确定：

  开户 票号 7
开户完成，户主数 1
b 入账，户主数 2
observe 持有，户主数 3
observe 返回，户主数 2
b 离开，户主数 1
  销账 票号 7
​

账目一目了然：每次拷贝入账加一，每次析构出账减一，减到零——最后一名户主离开——销账自动发生。整个过程没有一行手工 delete，销账时点由"最后一个户主"这一事实决定，而不是由某条控制流决定。

图 2-3 共享账户的计数流水

一、开销清单：共享账户贵在哪

独占账户零开销，共享账户有三笔固定支出，动笔之前要心里有数：

• 控制块内存：开户时多分配一小块（几十字节量级），存强计数、弱计数和销账器。这是除对象之外的另一笔账。
• 原子操作：每次拷贝、析构都要对强计数做原子加减。单线程下是几纳秒的浪费；多线程高拷贝路径上，原子操作带来的缓存行争用可能成为可见开销。
• 间接访问：use_count、销账都依赖控制块，对象访问本身仍是直接的一次解引用，这点通常无感。

开销之外还有一条重要的线程安全边界：计数本身是原子的（多线程同时拷贝各自的 shared_ptr 是安全的），但所指向的对象没有任何保护——两个线程同时读写同一对象照样是数据竞争，该上锁还得用第 5 章的锁。另外，多个线程同时写同一个 shared_ptr 对象（比如赋值）也不安全，需要各自的 shared_ptr 或外部同步。

二、案例：缓存账户从裸指针迁移到共享

背景：ProfileService 的热点配置对象原先由全局裸指针持有，刷新线程重建、请求线程读取，靠"大概没人正在读"的运气换指针，偶发读到已释放对象。

操作：配置对象改由 shared_ptr 持有：全局槽位存 shared_ptr（原子交换替换），请求线程开局拷贝一份入账，用完出账。刷新时新对象开户、原子替换槽位，旧对象等最后一名读者出账后自动销账。

结果：偶发崩溃消失。旧对象从"被替换即销账、赌读者已离开"变成"读者离开才销账"，时序问题被计数制度吸收。

解读：这个案例是 shared_ptr 的正当用法——销账时点无法静态确定（读者何时用完只有运行时知道），共享计数恰好把"时点"翻译成"计数归零"这个确定事件。反过来说，如果你能在设计里指定唯一户主，shared_ptr 的开销就是白付的：能用 unique_ptr 的地方用 shared_ptr，是在给所有拷贝路径埋原子操作的税。

变式：多线程下的"读多写少"账户，shared_ptr 加原子槽位是轻量方案；更讲究的可用标准库的原子智能指针支持（C++20 起）替代手工原子交换。读者只关心对象值、不关心身份时，拷贝一份比共享一份更干净——共享的目的是延长寿命，不是为了省拷贝。

💡 关键直觉：看到 shared_ptr 先问一句"销账时点谁说了算"。答得出一个明确的户主，就该用 unique_ptr；只有当答案是"最后用完的那个"且这个"最后"只能运行时确定时，共享计数才是对症的药。

本节要点回顾

• 计数即账本：入账加一、出账减一、归零销账，销账时点由最后一名户主决定。
• 三笔开销：控制块内存、原子计数操作、间接层；高拷贝路径上原子争用最值得警惕。
• make_shared 优先：对象与控制块一次分配完成，比 shared_ptr 加裸 new 少一笔开销。
• 线程安全边界：计数原子安全，对象内容无保护，并发访问仍需第 5 章的锁。
• 升级要论证：默认独占，只有销账时点确实运行时才定，才升级为共享。
• 开户配套：shared_from_this 让对象安全地把自己交给外部共享，避免双控制块坏账。

计数制度还剩一个盲区：两名户主互相持有，计数永远到不了零。下一节先复现这笔循环引用坏账，再用 weak_ptr——不担责的旁观者——把它拆掉。