实现一个线程安全的引用计数智能指针

题目

实现一个线程安全的引用计数智能指针

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

RAII原则,拷贝控制,移动语义,线程安全,运算符重载

快速回答

实现线程安全的引用计数智能指针需要：

• 使用std::atomic保证引用计数的原子操作
• 遵循RAII原则管理资源生命周期
• 正确实现拷贝构造/赋值和移动构造/赋值
• 重载operator*和operator->提供指针语义
• 处理自赋值和异常安全问题

核心原理

引用计数智能指针通过计数器跟踪资源引用数，当计数归零时自动释放资源。线程安全需保证：

• 引用计数的增减操作是原子的
• 资源释放只发生一次
• 避免拷贝时的竞态条件

代码实现

template<typename T>
class SafePtr {
    T* ptr;
    std::atomic<size_t>* count;

    void release() {
        if (count && --(*count) == 0) {
            delete ptr;
            delete count;
        }
    }

public:
    explicit SafePtr(T* p = nullptr) 
        : ptr(p), count(p ? new std::atomic<size_t>(1) : nullptr) {}

    // 拷贝构造
    SafePtr(const SafePtr& other) 
        : ptr(other.ptr), count(other.count) {
        if (count) (*count)++;
    }

    // 移动构造
    SafePtr(SafePtr&& other) noexcept 
        : ptr(other.ptr), count(other.count) {
        other.ptr = nullptr;
        other.count = nullptr;
    }

    // 拷贝赋值
    SafePtr& operator=(const SafePtr& other) {
        if (this != &other) {
            release();  // 释放原资源
            ptr = other.ptr;
            count = other.count;
            if (count) (*count)++;
        }
        return *this;
    }

    // 移动赋值
    SafePtr& operator=(SafePtr&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            release();
            ptr = other.ptr;
            count = other.count;
            other.ptr = nullptr;
            other.count = nullptr;
        }
        return *this;
    }

    ~SafePtr() { release(); }

    // 指针运算符重载
    T& operator*() const { return *ptr; }
    T* operator->() const { return ptr; }

    size_t use_count() const { 
        return count ? count->load() : 0; 
    }
};

最佳实践

• 使用std::atomic确保计数器操作的原子性
• 移动操作使用noexcept保证异常安全
• 赋值运算符处理自赋值情况
• 空指针安全处理（count为nullptr时跳过操作）

常见错误

• 未实现移动语义导致不必要的拷贝开销
• 计数器非原子操作导致线程竞争
• 自赋值未检查引发资源提前释放
• 未处理空指针导致段错误
• 异常安全不足（如构造函数失败时资源泄漏）

扩展知识

• 循环引用问题：当两个对象相互持有时会导致内存泄漏，可通过weak_ptr解决
• 删除器定制：标准库shared_ptr支持自定义删除器处理特殊资源
• 线程安全级别：标准智能指针保证控制块线程安全，但被管理对象需额外同步
• 性能影响：原子操作比非原子操作慢2-10倍，需根据场景选择
• C++17改进：shared_ptr支持数组类型，避免额外定义删除器