c++20的原子智能指针std::atomic_c++线程安全的共享指针

在 C++20 中，并没有直接提供名为 std::atomic<shared_ptr> 的专用原子智能指针类型，但标准库确实支持对 std::shared_ptr 进行原子操作。这主要通过特化 std::atomic<std::shared_ptr<T>> 来实现，允许你在多线程环境中安全地读取、写入和交换 shared_ptr 实例。

原子操作 shared_ptr 的作用

当多个线程需要共享并访问一个动态分配的对象，且可能同时修改指向该对象的 shared_ptr 时，必须保证这些操作是线程安全的。虽然 std::shared_ptr 内部引用计数本身是线程安全的（不同线程可持有同一对象的不同副本），但多个线程同时赋值或交换同一个 shared_ptr 变量会导致数据竞争。

例如：

std::shared_ptr<int> global_ptr;

// 线程1
global_ptr = std::make_shared<int>(42);

// 线程2 同时执行
global_ptr.reset();

这种对同一个全局 shared_ptr 变量的非原子修改会引发未定义行为。

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使用 std::atomic<std::shared_ptr<T>> 实现线程安全

C++ 标准为 std::shared_ptr 提供了 std::atomic 特化版本，可用于原子加载、存储、比较并交换等操作。

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基本用法如下：

#include <atomic>
#include <memory>
#include <thread>
#include <vector>

std::atomic<std::shared_ptr<int>> atomic_ptr;

void writer() {
    auto new_ptr = std::make_shared<int>(100);
    atomic_ptr.store(new_ptr); // 原子写入
}

void reader() {
    auto local = atomic_ptr.load(); // 原子读取
    if (local) {
        // 使用 *local
    }
}

你也可以使用更高效的 compare-exchange 操作来实现无锁更新：

auto expected = atomic_ptr.load();
std::shared_ptr<int> desired;

do {
    desired = modify_copy(expected); // 创建新版本
} while (!atomic_ptr.compare_exchange_weak(expected, desired));

关键限制与注意事项

• 不是所有平台都高效：在某些平台上，std::atomic<std::shared_ptr> 的实现可能基于内部互斥锁（mutex-based），尤其是当指针尺寸大于处理器原生支持的字长时（如在 32 位系统上处理带控制块地址的智能指针）。
• 只保证操作原子性，不保证语义一致性：原子 load/store 能防止数据竞争，但不能解决逻辑层面的竞争条件。你需要结合算法设计（如使用 CAS 循环）来确保正确性。
• 不要混用原子与非原子访问：一旦某个 shared_ptr 变量被设计为跨线程共享，所有对该变量的访问都应通过 std::atomic<shared_ptr> 接口进行。

替代方案：std::weak_ptr 配合原子操作

为了减少复制开销并避免长期持有对象导致无法释放，可以结合 std::weak_ptr 使用：

std::atomic<std::shared_ptr<Data>> data_ptr;

// 读者尝试获取快照
auto snapshot = data_ptr.load();
if (snapshot) {
    process(*snapshot);
}

或者从 weak_ptr 提升为 shared_ptr 以延长对象生命周期。

基本上就这些。C++20 并未引入新的“原子智能指针”语法糖，而是延续并规范了对 std::shared_ptr 的原子操作支持。只要正确使用 std::atomic<std::shared_ptr<T>>，就能在多线程环境下安全共享指针状态。不复杂但容易忽略细节。