C++ 进阶面试题, 请介绍 C++ 中 shared_ptr 的原理?shared_ptr 线程安全吗?

unique_ptr 是一种独占所有权的智能指针，即某一时刻只能有一个 unique_ptr 实例拥有对象的所有权，不能被复制，但可以转移所有权。而 shared_ptr 则允许多个指针共享同一个对象的所有权，通过引用计数来管理对象的生命周期。unique_ptr 适用于需要独占资源的场景，而 shared_ptr 适用于资源共享的场景。

循环引用问题通常出现在两个或多个 shared_ptr 实例相互引用对方的情况下，导致引用计数永远不会降为零，从而导致内存泄漏。避免循环引用的常见方法是使用 weak_ptr，它是一种弱引用指针，不会增加引用计数，从而可以打破循环依赖。weak_ptr 可以用来安全地观察对象的存在状态，并在需要时提升为 shared_ptr。

shared_ptr 的引用计数通常存储在一个控制块（control block）中，控制块通常与对象分开存储。每次创建或复制一个 shared_ptr，引用计数器都会增加，销毁时则减少。控制块还可能包含一个弱引用计数（用于 weak_ptr）。当引用计数降为零时，shared_ptr 释放对象并销毁控制块。这个过程通过原子操作来保证线程安全。

在多线程环境中，如果多个线程只对 shared_ptr 进行读操作，那么可以直接使用而无需额外同步。如果需要对 shared_ptr 进行写操作，如 reset() 或修改底层指针，必须使用互斥锁（mutex）等同步机制来保证线程安全。也可以使用 atomic_shared_ptr（C++20 引入）来保证部分操作的原子性。

unique_ptr 是一种独占所有权的智能指针，意味着同一时刻只能有一个 unique_ptr 拥有对象的所有权，不允许拷贝，而 shared_ptr 允许多个智能指针共享同一个对象的所有权。unique_ptr 通常用于确保对象有明确的生命周期并且不会被多个指针共享。

weak_ptr 是一种不增加引用计数的智能指针，它用于打破 shared_ptr 之间的循环引用。使用 weak_ptr 可以检测 shared_ptr 管理的对象是否已经被释放，从而避免悬空指针的使用。通常在需要临时访问对象或打破循环引用时使用。

避免 shared_ptr 循环引用的常见方法是使用 weak_ptr。weak_ptr 不会增加对象的引用计数，因此不会导致循环引用问题。当需要访问对象时，可以将 weak_ptr 锁定为 shared_ptr，如果对象已被释放，则锁定操作会失败，从而安全地处理引用。

C++11 引入了三个主要的智能指针类型：unique_ptr, shared_ptr 和 weak_ptr。unique_ptr 提供独占所有权，shared_ptr 提供共享所有权，weak_ptr 用于弱引用，避免循环引用。

智能指针通常用于自动管理动态分配的资源，避免内存泄漏。当需要明确所有权或共享对象时，使用智能指针是更安全的选择。而原始指针更适合不涉及对象生命周期管理的场景，如指向局部变量或临时对象的指针。