面试题：C++中std::weak_ptr与线程安全及性能优化

线程安全问题

访问已销毁对象：当一个线程通过std::weak_ptr尝试获取std::shared_ptr时，另一个线程可能已经销毁了对应的对象，导致获取到的std::shared_ptr为空指针。例如：

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wp = sp;
// 线程1
std::thread t1([&wp]() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    sp.reset();
});
// 线程2
std::thread t2([&wp]() {
    auto sp2 = wp.lock();
    if (sp2) {
        // 可能这里sp2已经为空，因为在这之前对象可能已被销毁
        std::cout << *sp2 << std::endl; 
    }
});
t1.join();
t2.join();

竞争条件：多个线程同时访问和修改std::weak_ptr相关的引用计数时，可能会出现竞争条件，导致引用计数错误。比如，一个线程正在尝试将std::weak_ptr提升为std::shared_ptr（增加引用计数），而另一个线程同时在销毁对象（减少引用计数）。

解决方案

同步机制：使用互斥锁（std::mutex）来保护对std::weak_ptr和std::shared_ptr的操作。例如：

std::mutex mtx;
std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wp = sp;
// 线程1
std::thread t1([&wp, &mtx]() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    sp.reset();
});
// 线程2
std::thread t2([&wp, &mtx]() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    auto sp2 = wp.lock();
    if (sp2) {
        std::cout << *sp2 << std::endl; 
    }
});
t1.join();
t2.join();

RAII 封装：可以将std::weak_ptr和相关的同步操作封装在一个类中，利用RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制确保锁的正确管理。

class WeakPtrGuard {
public:
    WeakPtrGuard(std::weak_ptr<int>& wp) : wp_(wp) {}
    ~WeakPtrGuard() = default;
    std::shared_ptr<int> lock() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx_);
        return wp_.lock();
    }
private:
    std::weak_ptr<int>& wp_;
    std::mutex mtx_;
};

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wp = sp;
WeakPtrGuard guard(wp);
// 线程
std::thread t([&guard]() {
    auto sp2 = guard.lock();
    if (sp2) {
        std::cout << *sp2 << std::endl; 
    }
});
sp.reset();
t.join();

性能优化

减少锁的粒度：如果可能，尽量缩小锁的保护范围，只在关键操作（如提升std::weak_ptr为std::shared_ptr）时加锁，而不是在整个操作过程中都加锁。
批量操作：如果有多个std::weak_ptr需要处理，可以考虑批量进行操作，减少锁的获取和释放次数。例如，将多个std::weak_ptr收集到一个容器中，一次性处理它们的提升操作。
缓存常用对象：对于经常被访问的对象，可以使用std::unordered_map等容器缓存其std::shared_ptr，减少通过std::weak_ptr提升的开销。在对象销毁时，及时更新缓存。
使用无锁数据结构：在某些场景下，可以使用无锁数据结构来替代std::weak_ptr相关的操作，避免锁带来的性能开销。例如，使用无锁的引用计数机制，但实现起来较为复杂。

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