`weak_ptr` 和 `shared_ptr` 访问是如何原子的

Question

std::shared_ptr<int> int_ptr;

int main() {
    int_ptr = std::make_shared<int>(1);
    std::thread th{[&]() {
        std::weak_ptr int_ptr_weak = int_ptr;
        auto int_ptr_local = int_ptr_weak.lock();
        if (int_ptr_local) {
            cout << "Value in the shared_ptr is " << *int_ptr_local << endl;
        }
    });

    int_ptr.reset(nullptr);
    th.join();
    return 0;
}

上面的代码是线程安全的吗？我读了这个答案About thread-safety of weak_ptr，但只是想确保上面的代码是线程安全的。

我问这个的原因是，如果上面的代码确实是线程安全的，我无法理解std::weak_ptr 和std::shared_ptr 接口如何使以下操作原子expired() ? shared_ptr<T>() : shared_ptr<T>(*this)。在我看来，如果不使用某种互斥锁或自旋锁，就无法使像上面这样的两行逻辑代码同步。

我了解原子增量如何与不同的共享指针实例一起工作，并且我了解shared_ptrs 本身不是线程安全的，但如果上面确实是线程安全的，那么它非常类似于线程安全的shared_ptr，我不明白上面条件中的两行代码如何在没有锁的情况下成为原子代码。

Answer 1

上面的代码线程安全吗？

我认为不是，因为 int_ptr.reset(nullptr); 正在与 std::weak_ptr int_ptr_weak = int_ptr; 竞争

我无法理解 std::weak_ptr 和 std::shared_ptr 接口如何使以下操作成为原子expired() ? shared_ptr<T>() : shared_ptr<T>(*this)

这样的操作不是原子的，因为expired() 可能会返回 false，但是当您对该值采取行动时，它可能不再准确。另一方面，如果它返回 true，则保证保持准确，只要从那时起没有人修改 this specific 的 shared_ptr 实例。也就是说，对给定 shared_ptr 的其他副本的操作不会导致它过期。

weak_ptr::lock() 实现不会使用expired()。它可能会执行类似原子比较交换的操作，其中仅当当前强引用的数量大于零时才会添加额外的强引用。

Answer 2

这个问题有两个部分：

线程安全

代码是不是线程安全的，但这与lock()无关：
比赛存在于int_ptr.reset(); 和std::weak_ptr int_ptr_weak = int_ptr; 之间。因为一个线程正在修改非原子变量int_ptr，而另一个线程正在读取它，根据定义，这是一场数据竞争。

这样就可以了：

int main() {
    auto int_ptr = std::make_shared<int>(1);
    std::weak_ptr<int> int_ptr_weak = int_ptr;  //create the weak pointer in the original thread
    std::thread th( [&]() {
        auto int_ptr_local = int_ptr_weak.lock();
        if (int_ptr_local) {
            std::cout << "Value in the shared_ptr is " << *int_ptr_local << std::endl;
        }
    });

    int_ptr.reset();
    th.join();
}

示例代码的原子版本expired() ? shared_ptr<T>() : shared_ptr<T>(*this)

当然，整个过程不可能是原子的。真正重要的部分是强引用计数仅在它已经大于零并且检查和增加以原子方式发生时才增加。我不知道是否有任何系统/架构特定的原语可用于此，但在 c++11 中实现它的一种方法是：

std::shared_ptr<T> lock() {
    if (!isInitialized) {
        return std::shared_ptr<T>();
    }
    std::atomic<int>& strong_ref_cnt = get_strong_ref_cnt_var_from_control_block();
    int old_cnt = strong_ref_cnt.load();
    while (old_cnt && !strong_ref_cnt.compare_exchange_weak(old_cnt, old_cnt + 1)) {
        ;
    }
    if (old_cnt > 0) {
        // create shared_ptr without touching the control block any further
    } else {
        // create empty shared_ptr
    }
}

Answer 3

不，您的代码不是线程安全的。主线程中的int_ptr.reset() 操作（这是一个写操作）和th 中的int_ptr 初始化int_weak_ptr 之间存在数据竞争（这是一个读操作）。

Answer 4

" std::weak_ptr 和 std::shared_ptr 接口如何使以下操作原子化 expired() ? shared_ptr<T>() : shared_ptr<T>(*this)"

接口没有。它在实现的内部。具体实现方式因实现而异。