在C++多线程中，何时应该使用互斥锁（mutex）与std::shared_ptr一起使用？

Question

std::shared_ptr<Dog> pd;

void F() {
    pd = std::make_shared<Dog>("Smokey");
}

int main() {
    std::thread t1(F);
    std::thread t2(F);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

std::shared_ptr<Dog> pd(new Dog("Gunner"));

void F() {
    std::shared_ptr<Dog> localCopy = pd;
}

int main() {
    std::thread t1(F);
    std::thread t2(F);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在C++中，我了解到std::shared_ptr对于读取和复制是线程安全的。但是我对于何时需要使用互斥锁来同步线程有些困惑。我有两段代码片段。在第一段代码中，std::shared_ptr被多个线程修改。在第二段代码中，每个线程只是从共享指针中读取和复制。在这两种情况下，我是否都需要互斥锁？为什么或者为什么不需要？

- Sami

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哎呀，你快要问出C++中最糟糕的问题了 :) https://youtu.be/lkgszkPnV8g?t=1213 - Jeremy Friesner

哦哦，你正冒险接近提出C++中最糟糕的问题 :) https://youtu.be/lkgszkPnV8g?t=1213 - Jeremy Friesner

简而言之：不行。std::shared_ptr变量并不比其他类型的变量更具线程安全性。如果多个线程访问（读取或写入）该变量，并且其中至少一个线程对其进行写入操作，那么所有这些访问都必须进行“同步”。一种同步的方法是在访问该变量时，所有线程都锁定相同的互斥锁。 - Solomon Slow

总结：不是的。std::shared_ptr变量在线程安全方面并不比其他类型的变量更安全。如果多个线程访问（读取或写入）该变量，并且其中至少一个线程对变量进行写入操作，则_所有_这些访问都必须进行“同步”。一种同步的方法是，所有线程在访问该变量时都锁定相同的互斥量。 - Solomon Slow

Answer 1

如果你仔细识别所有涉及的移动部件，这将更容易理解：

• 引用计数对象，这是一个对象，在某个地方，这就是你的Dog

• 引用计数本身，它跟踪对引用计数对象的引用数量

• 智能指针本身，使用引用计数

这些都是需要单独考虑和评估的离散实体。

作为一个经验法则，在C++中，如果一个对象从多个执行线程访问，并且至少有一个执行线程以某种方式“修改”它，那么执行线程必须与该对象“同步”；除非该对象是“线程安全”的。什么是“同步”？嗯，它不仅仅意味着在某个地方有一个互斥锁；但对于这个实际例子来说，它的意思是：你需要在持有某个互斥锁的同时访问该对象。

数据点：引用计数是线程安全的。智能指针，即std::shared_ptr不是。

pd = std::make_shared<Dog>("Smokey");

这会在多个执行线程中修改共享指针pd。这需要同步，不是线程安全的。你需要一个互斥锁。

std::shared_ptr<Dog> localCopy = pd;

这将创建一个 pd 的副本，而不是修改它。这也会处理引用计数器，作为创建副本（和销毁）的一部分。引用计数器是线程安全的。共享指针没有被修改，只是被访问。这是线程安全的。

- Sam Varshavchik

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在与std::shared_ptr交互时，根本不需要使用std::mutex。有std::atomic<std::shared_ptr>可以使用。只有在同时修改Dog时，互斥锁才变得必要。 - Jan Schultke

你根本不需要使用std::mutex来与std::shared_ptr进行交互。有std::atomic<std::shared_ptr>可以使用。只有在同时修改Dog时，互斥锁才变得必要。 - Jan Schultke

@JanSchultke，在你自己的回答中，你承认std::atomic<std::shared_ptr>只在C++20之后才可用。可能存在一些尚未从较旧的C++版本升级的项目。 - Solomon Slow

这是正确的。 - Sam Varshavchik

这是正确的。 - Sam Varshavchik

Answer 2

一个`std::shared_ptr`由三个组件组成：

1. 智能指针`std::shared_ptr`本身
2. 指向的原子引用计数器
3. 指向的`Dog`对象

你需要哪种形式的同步取决于你想要同时修改哪一个。

1 同时修改智能指针

// for example
pd = std::make_shared<Dog>("Smokey");

这是线程不安全的，因为多个线程同时修改同一个std::shared_ptr。基本上有三种选择：

• std::atomic<std::shared_ptr>（自C++20以来）
• 独立的原子函数用于std::shared_ptr（自C++20起已弃用）
• std::mutex

理想情况下，使用专门为std::shared_ptr设计的工具之一。与之相比，std::mutex效率较低，并且使用起来也不太方便。

2 同时修改引用计数器

// for example
std::shared_ptr<Dog> localCopy = pd;

在这里你不需要使用std::mutex或其他任何东西，因为它已经是线程安全的。复制一个std::shared_ptr不会修改原始对象，并且它会线程安全地更新（原子）引用计数器。

3 同时修改指向的对象

// for example
localCopy->woof();

如果你的`Dog`类的`woof`成员函数不是线程安全的，你需要使用一些同步机制来确保线程安全。`std::mutex`是一个很好的选择，但你也可以考虑使用`std::atomic`。

- Jan Schultke