Как осуществляется подсчет ссылок в shared_ptr?

shared_ptr использует внутренний управляющий блок (control block), который содержит счетчик сильных ссылок (strong count) и счетчик слабых ссылок (weak count).

Механизм работы:

1. Создание: При создании первого shared_ptr, указывающего на объект, создается управляющий блок с обоими счетчиками, инициализированными в 1.

   #include <memory>
   
   int main() {
       auto ptr = std::make_shared<int>(10); // Создается control block, strong_count = 1, weak_count = 1 (указатель в control block тоже считается)
       return 0;
   }
   

2. Копирование shared_ptr: При копировании shared_ptr увеличивается strong_count в том же управляющем блоке.

   #include <memory>
   
   int main() {
       auto ptr1 = std::make_shared<int>(10); // strong_count = 1
       auto ptr2 = ptr1;                     // strong_count увеличивается до 2
       return 0;
   }
   

3. Присваивание shared_ptr: Присваивание одного shared_ptr другому уменьшает strong_count у левого операнда (если он указывал на объект) и увеличивает strong_count у правого операнда.
4. Создание weak_ptr: При создании weak_ptr из shared_ptr увеличивается weak_count в том же управляющем блоке. strong_count при этом не меняется.

   #include <memory>
   #include <weak_ptr>
   
   int main() {
       auto ptr = std::make_shared<int>(10); // strong_count = 1, weak_count = 1
       std::weak_ptr<int> weak_ptr = ptr;   // weak_count увеличивается до 2
       return 0;
   }
   

5. Выход из области видимости или сброс: При уничтожении shared_ptr (например, при выходе из области видимости или вызове reset()) уменьшается strong_count.

   #include <memory>
   
   int main() {
       {
           auto ptr = std::make_shared<int>(10); // strong_count = 1
       } // strong_count уменьшается до 0
       return 0;
   }
   

   #include <memory>
   
   int main() {
       auto ptr = std::make_shared<int>(10); // strong_count = 1
       ptr.reset();                          // strong_count уменьшается до 0
       return 0;
   }
   

6. Освобождение объекта: Когда strong_count становится равным 0, объект, на который указывал shared_ptr, удаляется.
7. Освобождение управляющего блока: Когда и strong_count, и weak_count равны 0, управляющий блок удаляется.
8. Выход из области видимости или сброс weak_ptr: При уничтожении weak_ptr уменьшается weak_count.

   #include <memory>
   #include <weak_ptr>
   
   int main() {
       auto ptr = std::make_shared<int>(10); // strong_count = 1, weak_count = 1
       {
           std::weak_ptr<int> weak_ptr = ptr; // weak_count = 2
       } // weak_count уменьшается до 1
       return 0;
   }
   

Подсчет ссылок является потокобезопасным благодаря атомарным операциям над счетчиками внутри управляющего блока.

Пример структуры управляющего блока (упрощенно):

struct ControlBlock {
    std::atomic<long> strong_count{1};
    std::atomic<long> weak_count{1}; // Изначально 1, так как control block хранит свой указатель
    // Дополнительная информация, такая как deleter, allocator
};