面试题：C++中std::shared_ptr的引用计数机制

Question

请描述C++中std::shared_ptr是如何实现引用计数机制的，并且说明引用计数在什么情况下会增加和减少。

Answer 1

1. std::shared_ptr引用计数机制实现：
   • std::shared_ptr内部包含两个指针，一个指向对象，另一个指向控制块（control block）。
   • 控制块是一个动态分配的内存块，其中包含引用计数（reference count），可能还包含其他信息，比如弱引用计数（用于std::weak_ptr）等。
   • 当通过std::make_shared或者直接构造std::shared_ptr来指向一个对象时，会分配控制块并初始化引用计数为1。
2. 引用计数增加情况：
   • 拷贝构造：当使用std::shared_ptr的拷贝构造函数创建一个新的std::shared_ptr对象时，如std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10); std::shared_ptr<int> ptr2(ptr1);，此时新对象ptr2和原对象ptr1指向同一个控制块，控制块中的引用计数加1。
   • 赋值操作：当使用std::shared_ptr的赋值运算符时，如std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10); std::shared_ptr<int> ptr2; ptr2 = ptr1;，ptr2原来指向的对象（如果有）的引用计数减1，ptr1指向对象的引用计数加1。
3. 引用计数减少情况：
   • std::shared_ptr对象析构：当std::shared_ptr对象超出作用域或者被显式释放时，其析构函数会被调用。在析构函数中，控制块中的引用计数减1。如果引用计数减为0，意味着没有其他std::shared_ptr对象指向该对象，那么会释放指向的对象以及控制块的内存。例如：

   {
       std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(10);
   } // 这里ptr超出作用域，引用计数减1变为0，对象和控制块内存被释放
   

   • 重置（reset）操作：调用std::shared_ptr的reset成员函数时，如std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(10); ptr.reset();，原对象的引用计数减1。如果减为0，同样会释放对象和控制块内存。reset也可以用来指向新的对象，如ptr.reset(new int(20));，此时原对象引用计数减1，新对象引用计数设为1。