《C++ Concurrency in Action》拆分引用计数示例技术疑问

代码片段 #

template<typename T>
class lock_free_stack
{
private:
    struct node;
    struct counted_node_ptr
    {
        int external_count;
        node* ptr;
    };
    struct node
    {
        std::shared_ptr<T> data;
        std::atomic<int> internal_count;
        counted_node_ptr next;
        node(T const& data_):
            data(std::make_shared<T>(data_)),
            internal_count(0)
        {}
    };
    std::atomic<counted_node_ptr> head;
public:
    ~lock_free_stack()
    {
        while(pop());
    }
    void push(T const& data)
    {
        counted_node_ptr new_node;
        new_node.ptr=new node(data);
        new_node.external_count=1;
        new_node.ptr->next=head.load();
        while(!head.compare_exchange_weak(new_node.ptr->next,new_node));
    }
};

Q1：push方法中，新创建的counted_node_ptr分配在栈上，push()返回后head是否会成为悬空指针？是否存在理解遗漏？ #

不会。这里的核心是区分counted_node_ptr本身的存储和它内部ptr指向的对象：

• 栈上的new_node是临时的counted_node_ptr实例，它的ptr指向堆上动态分配的node对象；
• head是原子类型的counted_node_ptr变量，调用compare_exchange_weak时，会把new_node的内容（包括external_count和ptr的值）完整复制到head中；
• 当push返回后，栈上的new_node被销毁，但head中存储的是独立的副本，其ptr依然指向堆上的node，因此head不会成为悬空指针。

常见的理解遗漏是混淆了“计数结构的存储位置”和“链表节点的存储位置”——临时变量只是传递节点信息的载体，真正的链表节点在堆上，head保存的是节点的引用信息副本，和临时变量无关。

Q2：书中双引用计数机制中，external_count与internal_count之和为节点总引用数。为何单计数器不足以实现？两者分别代表什么？ #

单计数器的局限性 #

在无锁并发场景下，单引用计数无法区分两种关键的引用类型：

• 一种是链表结构中持久存在的引用（比如head或其他节点的next指向该节点）；
• 另一种是线程操作过程中持有的临时引用（比如线程加载了节点指针，正在进行修改或读取操作）。

如果只用单计数器，当线程尝试删除节点时，可能出现其他线程还持有临时引用的情况，导致内存提前释放；或者无法准确判断节点是否真正无人使用，造成内存泄漏。

双计数器的含义 #

• external_count：代表链表结构中指向该节点的外部引用数量。每个counted_node_ptr实例中的external_count就是对该节点的一次外部引用——比如head指向节点时，对应external_count为1，后续如果有新节点插入到它前面，新节点的next也会持有该节点的一次外部引用。
• internal_count：代表线程正在持有该节点的临时引用数量。当线程需要操作某个节点时，会先复制节点的指针，此时internal_count递增，用来跟踪这些未完成的操作；当操作完成后，internal_count递减。

只有当external_count + internal_count的总和为0时，才说明该节点既没有被链表结构引用，也没有线程在操作它，可以安全销毁。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Yariv Aridor