C++ 第92题：std::shared_ptr 引用计数机制与 std::make_shared 内存分配优化

题目

编写程序，演示共享所有权智能指针 std::shared_ptr 的内部引用计数（Reference Counting）控制块机制。观察当对象被多个 shared_ptr 拷贝共享时 use_count() 的动态递增，以及各个指针离开作用域时计数的递减；剖析 std::make_shared 将托管对象与控制块合并单次内存分配（Single Allocation）相对于裸 new 触发两次离散堆分配的缓存局部性优化。

输入格式：无需外部输入。

输出格式：输出引用计数逐步增减、对象最终析构与指针共享的日志。

数据范围与约定：共享所有权、控制块（Control Block）结构与原子引用计数。

思路与算法

1. 控制块内部结构
std::shared_ptr 实例本身包含两个指针（大小 16 字节）：一个指向托管对象，另一个指向堆上的控制块。控制块内维护强引用计数（Strong Ref）、弱引用计数（Weak Ref）及自定义删除器。

2. make_shared 的性能红利
写 shared_ptr<T>(new T) 需要触发 2 次堆内存分配（1 次给 T，1 次给控制块）；而 make_shared<T> 在单块连续堆内存中同时容纳 T 和控制块，不仅节省 1 次 malloc 开销，还极大提升了 CPU 缓存行命中率。

3. 线程安全界限
引用计数的增减是原子操作（std::atomic），因而是线程安全的；但指向的目标对象本身的读写如果跨线程访问，仍需业务层加锁保护。

完整程序

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

class SharedNode {
public:
    int id;
    explicit SharedNode(int i) : id(i) {
        std::cout << "  [构造 SharedNode] id = " << id << "\n";
    }
    ~SharedNode() {
        std::cout << "  [析构 SharedNode] id = " << id << " (引用计数归零，彻底释放)\n";
    }
};

int main() {
    std::cout << "shared_ptr 实例本身占用栈空间: " << sizeof(std::shared_ptr<SharedNode>) 
              << " 字节 (包含目标指针与控制块指针)\n\n";

    // 1. 使用 make_shared 创建共享实例
    std::cout << "--- 1. 创建 sp1 ---\n";
    std::shared_ptr<SharedNode> sp1 = std::make_shared<SharedNode>(999);
    std::cout << "sp1 初始引用计数 use_count(): " << sp1.use_count() << "\n\n";

    // 2. 拷贝构造共享指针，引用计数递增
    {
        std::cout << "--- 2. 进入局部作用域，创建 sp2 与 sp3 ---\n";
        std::shared_ptr<SharedNode> sp2 = sp1;
        std::shared_ptr<SharedNode> sp3 = sp2;
        std::cout << "拷贝共享后当前引用计数 use_count(): " << sp1.use_count() 
                  << " (sp1, sp2, sp3 共同共享所有权)\n";
        std::cout << "离开局部作用域，sp2 和 sp3 即将销毁...\n";
    }

    // 3. 局部指针析构后，计数回落
    std::cout << "\n--- 3. 离开局部作用域后 ---\n";
    std::cout << "当前引用计数 use_count(): " << sp1.use_count() << " (对象依然存活)\n\n";

    // 4. 重置主指针，计数归零触发析构
    std::cout << "--- 4. 重置 sp1.reset() ---\n";
    sp1.reset();
    std::cout << "程序即将退出\n";

    return 0;
}

运行示例

输出：

shared_ptr 实例本身占用栈空间: 16 字节 (包含目标指针与控制块指针)

--- 1. 创建 sp1 ---
  [构造 SharedNode] id = 999
sp1 初始引用计数 use_count(): 1

--- 2. 进入局部作用域，创建 sp2 与 sp3 ---
拷贝共享后当前引用计数 use_count(): 3 (sp1, sp2, sp3 共同共享所有权)
离开局部作用域，sp2 和 sp3 即将销毁...

--- 3. 离开局部作用域后 ---
当前引用计数 use_count(): 1 (对象依然存活)

--- 4. 重置 sp1.reset() ---
  [析构 SharedNode] id = 999 (引用计数归零，彻底释放)
程序即将退出