Jak działa shared_ptr w C++?

shared_ptr — to inteligentny wskaźnik implementujący semantykę własności współdzielonego zasobu. Przechowuje wskaźnik na obiekt i wskaźnik na blok kontrolny.

Blok kontrolny zawiera:

• Licznik silnych odwołań (reference count).
• Licznik słabych odwołań (weak count).
• Niestandardowy funktor usuwania (deleter), jeśli jest ustawiony.
• Niestandardowy alokator, jeśli jest ustawiony.
• Wskaźnik na przechowywany obiekt (ten sam, co w shared_ptr).

Zasada działania:

1. Tworzenie: Przy tworzeniu pierwszego shared_ptr wskazującego na obiekt, tworzony jest blok kontrolny, a liczniki odwołań są inicjalizowane: silne — 1, słabe — 0.

   std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10); // Tworzy obiekt int i blok kontrolny
   

2. Kopiowanie: Przy kopiowaniu shared_ptr licznik silnych odwołań w bloku kontrolnym zwiększa się o 1.

   std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // Zwiększa licznik silnych odwołań
   

3. Przypisanie: Przy przypisaniu shared_ptr stary zasób jest dekrementowany (licznik silnych odwołań maleje), a nowy zasób jest inkrementowany (zwiększa się).

   std::shared_ptr<int> ptr3;
   ptr3 = ptr1; // Dekrementuje stary zasób ptr3, Inkrementuje zasób ptr1
   

4. Usuwanie: Przy niszczeniu shared_ptr (np. wyjście z zakresu) licznik silnych odwołań jest dekrementowany.

   {
       std::shared_ptr<int> ptr4 = ptr1; // Zwiększa licznik silnych odwołań
       // ptr4 wychodzi z zakresu
   } // Dekrementuje licznik silnych odwołań
   

5. Zwolenienie zasobu: Gdy licznik silnych odwołań osiąga zero, zasób (obiekt, na który wskazuje shared_ptr) jest usuwany za pomocą zdefiniowanego funktora usuwania (lub delete domyślnie).
6. Zwolenienie bloku kontrolnego: Blok kontrolny jest zwalniany, gdy oba liczniki (silne i słabe) osiągają zero.

Zalety:

• Automatyczne zarządzanie pamięcią dla zasobów współdzielonych.
• Bezpieczeństwo przed podwójnym zwolnieniem.
• Obsługa niestandardowych funktorów usuwania.

Wady:

• Cycliczne odwołania mogą prowadzić do wycieków pamięci (rozwiązane za pomocą weak_ptr).
• Niewielki wzrost kosztów z powodu bloku kontrolnego i operacji atomowych na licznikach.
• Bezpieczeństwo operacji z samym shared_ptr (kopiowanie, przypisanie, zmiana wskaźnika), ale nie z obiektem, na który wskazuje.