C++ std::shared_ptr自定义删除器线程安全与调用时机问题

不能在当前代码无额外约定的前提下，直接认定自定义删除器调用时所有A::update()操作已执行完成，是否安全完全取决于SomeConcurrentMap的实现语义和getA()的正确性。

问题背景 #

[编辑补充：以下为更具体的示例]

假设我有一个线程安全对象（所有公有成员均通过mutex保护），以及一个带自定义删除器的shared_ptr，代码示例如下：

class A {
public:
  void update(int x);
  void print_sum();
  ...
};

class AContainer {
private:
    SomeConcurrentMap<string, shared_ptr<A>> aMap;
public:
    void newA(string name) {
        aMap.emplace(name, shared_ptr<A>(new A, [](A *p){
            p->print_sum();
            delete p;
        }));
    }
    void finalizeA(string name) {
        aMap.erase(name);
    }
    shared_ptr<A> getA(string name) const {
        // fixme 处理键不存在的场景...
        return aMap.find(name).second;
    }
};

void someFunctionInSomeThread(const AContainer &cont, string name, int c) {
    // fixme 处理键不存在的场景...
    cont.getA(name)->update(c);
}

已知前提：

• 类A的所有操作都受内部mutex保护
• SomeConcurrentMap本身是线程安全的

使用场景：

• 可从任意线程调用AContainer::newA()
• 多个线程可多次调用someFunctionInSomeThread()
• 可从任意线程调用AContainer::finalizeA()，该操作可能与上述someFunctionInSomeThread()的调用并行执行

预期目标：A::print_sum()会在finalizeA()执行完成、且所有正在运行的A::update()操作全部结束后才被调用。
核心疑问：是否可以安全认定，当自定义删除器中p->print_sum()被调用时，目标对象上的所有A::update()操作都已经执行完成？

详细分析 #

满足安全要求的前提 #

如果SomeConcurrentMap符合线程安全容器的通用设计约定，getA()能安全返回目标shared_ptr的独立副本——也就是容器保证，在调用方完成对返回值的拷贝构造之前，对应key的节点不会被并发的erase()操作销毁，那么结论是成立的，原因如下：

• 所有调用update()的线程，必须先通过getA()拿到一个独立的shared_ptr<A>副本，这一过程会让shared_ptr的引用计数+1，只要该副本存活，对象就不会被销毁。
• 根据C++标准，getA()返回的临时shared_ptr的生命周期会持续到包含它的全表达式（即cont.getA(name)->update(c)整行代码）执行结束，也就是update()调用返回后，临时shared_ptr才会析构，引用计数-1。
• shared_ptr的引用计数增减是原子操作，自带同步语义：当最后一个持有对象的shared_ptr析构、引用计数归0时才会执行自定义删除器，所有之前的shared_ptr拷贝、析构操作都和删除器的调用存在happens-before关系。此时所有正在运行的update()必然已经执行完成，删除器中调用print_sum()完全符合预期目标。

存在竞态风险的场景 #

当前代码没有对SomeConcurrentMap的find()语义做明确约定，getA()的写法存在触发未定义行为的可能：
如果SomeConcurrentMap::find()仅在查找节点的过程中持有内部锁，找到节点后立刻释放锁，再返回指向节点内部shared_ptr的引用，那么后续拷贝shared_ptr构造返回值的过程是没有锁保护的。此时如果其他线程并发调用erase()销毁对应节点，就会出现悬空引用，拷贝shared_ptr的行为完全不可控，属于典型的数据竞争。
这种未定义行为可能导致引用计数没有正确累加，出现对象提前销毁、删除器被调用时仍有线程在执行update()的问题，完全无法保证预期逻辑生效。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Uri Simchoni