C++ shared_ptr是否保证底层对象线程安全？代码运行存疑解析

问题代码 #

我原本以为下面的代码会触发运行时问题，但实际并没有。我在一个线程里更新std::shared_ptr指向的底层对象，同时在另一个线程里访问这个对象。

struct Bar {
    Bar(string tmp) {
        var = tmp;
    }
    string var;
};

struct Foo {
    vector<Bar> vec;
};

std::shared_ptr<Foo> p1, p2;
std::atomic<bool> cv1, cv2;

void fn1() {
    for(int i = 0 ; i < p1->vec.size() ; i++) {
        cv2 = false;
        cv1.wait(true);
        std::cout << p1->vec.size() << " is the new size\n";
        std::cout << p1->vec[i].var.data() << "\n";
    }
}

void fn2() {
    cv2.wait(true);
    p2->vec = vector<Bar>();
    cv1 = false;
}

int main()
{
    p1 = make_shared<Foo>();
    p1->vec = vector<Bar>(2, Bar("hello"));
    p2 = p1;

    cv1 = true;
    cv2 = true;
    
    thread t1(fn1);
    thread t2(fn2);
    
    t2.join();
    t1.join();
}

现象与疑问 #

奇怪的是程序输出如下：打印出的新size是0（空），但依然能访问原vector的第一个元素。

0 is the new size
hello

我的理解对吗？也就是这段代码并非线程安全？我是不是漏了什么？

另外，根据文档说明：

所有成员函数（包括拷贝构造函数和拷贝赋值运算符）均可由多个线程在shared_ptr的不同实例上调用，无需额外同步，即使这些实例是副本且共享同一对象的所有权。

因为我用了->/*成员函数，是不是意味着这段代码是线程安全的？这部分让我很困惑，毕竟我在没有同步的情况下同时进行读写操作。

解答 #

核心结论：这段代码完全不是线程安全的，你看到的正常输出只是未定义行为的侥幸表现 #

误区澄清 #

你混淆了std::shared_ptr自身的线程安全和它指向的底层对象的线程安全：

• std::shared_ptr自身的线程安全：文档描述的是多个shared_ptr副本（比如你的p1和p2）之间的引用计数操作是线程安全的，但这仅限于shared_ptr对象本身的管理，和它指向的Foo对象无关。
• 底层对象的线程安全：Foo中的vector<Bar>是普通容器，它的读写操作没有任何线程安全保障。你的代码里，线程t1在遍历vector，线程t2直接给vector赋值为空，这属于典型的无同步并发读写，违反C++内存模型，属于未定义行为。

为什么会出现“正常”输出？ #

这是未定义行为的一种巧合表现：

1. 线程t2将vec赋值为空后，原vector占用的内存并没有立刻被系统回收或覆盖，所以t1访问旧位置的内存时，刚好还能读到之前的"hello"。
2. 这种情况完全不可靠，更换编译器、操作系统，或者多次运行程序，大概率会出现崩溃、乱码、数据错乱等问题。

正确的线程安全做法 #

要保证代码安全，必须对底层对象的访问做同步控制：

• 使用std::mutex，在读写vec前后加锁，确保同一时间只有一个线程操作vector；
• 配合条件变量和锁，严格控制读写操作的执行顺序；
• 对于简单数据可以考虑用std::atomic包装，但复杂容器不适用这种方式。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Basava Raj