Как работает shared_ptr в C++?

shared_ptr — это умный указатель, реализующий семантику владения разделяемым ресурсом. Он хранит указатель на объект и указатель на управляющий блок.

Управляющий блок содержит:

• Счетчик сильных ссылок (reference count).
• Счетчик слабых ссылок (weak count).
• Пользовательский функтор удаления (deleter), если задан.
• Пользовательский аллокатор, если задан.
• Указатель на хранимый объект (то же самое, что хранится в самом shared_ptr).

Принцип работы:

1. Создание: При создании первого shared_ptr, указывающего на объект, создается управляющий блок, счетчики ссылок инициализируются: сильных — 1, слабых — 0.

   std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10); // Создает объект int и управляющий блок
   

2. Копирование: При копировании shared_ptr счетчик сильных ссылок в управляющем блоке увеличивается на 1.

   std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // Увеличивает счетчик сильных ссылок
   

3. Присваивание: При присваивании shared_ptr старому ресурсу Decrement-ится (уменьшается) счетчик сильных ссылок, а новому ресурсу Increment-ится (увеличивается).

   std::shared_ptr<int> ptr3;
   ptr3 = ptr1; // Decrement ptr3's старого ресурса, Increment ptr1's ресурса
   

4. Удаление: При уничтожении shared_ptr (например, выход из области видимости) счетчик сильных ссылок Decrement-ится.

   {
       std::shared_ptr<int> ptr4 = ptr1; // Увеличивает счетчик сильных ссылок
       // ptr4 выходит из области видимости
   } // Decrement-ит счетчик сильных ссылок
   

5. Освобождение ресурса: Когда счетчик сильных ссылок достигает нуля, ресурс (объект, на который указывает shared_ptr) удаляется с использованием заданного функтора удаления (или delete по умолчанию).
6. Освобождение управляющего блока: Управляющий блок освобождается, когда оба счетчика (сильных и слабых) достигают нуля.

Преимущества:

• Автоматическое управление памятью для разделяемых ресурсов.
• Безопасность от двойного освобождения.
• Поддержка пользовательских функторов удаления.

Недостатки:

• Циклические ссылки могут привести к утечкам памяти (решается с помощью weak_ptr).
• Незначительное увеличение накладных расходов из-за управляющего блока и атомарных операций со счетчиками.
• Потокобезопасность операций со самим shared_ptr (копирование, присваивание, изменение хранимого указателя), но не с объектом, на который он указывает.