隐藏原子操作带来的性能瓶颈
内容提要
文章指出，C++ 中复制 shared_ptr 会隐式触发原子引用计数操作。多线程下多个线程复制同一 shared_ptr 时，会在同一缓存行上产生激烈竞争，导致吞吐量几乎不随线程数增加而提升，甚至两线程时低于单线程。改用对不可变对象的引用可避免原子操作开销，基准测试显示16线程时速度提升约725倍。建议减少不必要的 shared_ptr 复制。
延伸解读
隐藏原子操作：shared_ptr 复制的性能陷阱
文章指出，复制 shared_ptr 会隐式触发原子引用计数操作，这在多线程下成为性能瓶颈。多个线程复制同一 shared_ptr 时，会在同一缓存行上激烈竞争，导致吞吐量几乎不随线程数增加而提升，甚至两线程时低于单线程。开发者应警惕这类看似无害的操作，减少不必要的 shared_ptr 复制。
基准测试揭示的扩展性差异
基准测试显示，使用 shared_ptr 复制时，吞吐量从单线程的 73.2 百万次/秒降至两线程的 21.0 百万次/秒，之后几乎不变；而使用不可变对象引用时，吞吐量随线程数线性增长，16 线程达到 15878.3 百万次/秒，速度提升约 725 倍。这直观展示了原子操作竞争对扩展性的严重影响。
缓存一致性开销：两线程性能反降的原因
文章解释，当多个线程在不同核心上更新同一原子变量（如 shared_ptr 的引用计数）时，包含该变量的缓存行必须在核心间同步，引入额外延迟。即使只有两个线程，这种缓存一致性开销也会导致吞吐量下降，因此两线程性能低于单线程。理解这一点有助于诊断类似的多线程性能问题。
优化策略：用不可变对象引用替代复制
为避免原子操作开销，文章建议在确保对象生命周期安全的前提下，使用对不可变对象的引用而非复制 shared_ptr。基准测试中，借用引用方式在 16 线程时比复制 shared_ptr 快约 725 倍。开发者应审查代码中不必要的 shared_ptr 复制，尤其是在高性能并发场景中。
Q&A
为什么在多线程程序中复制 shared_ptr 会导致性能下降？
因为 shared_ptr 的引用计数是原子变量，每次复制或销毁都会原子地更新引用计数。多线程同时复制同一个 shared_ptr 时，会在同一个缓存行上产生激烈竞争，导致缓存一致性开销，从而限制吞吐量的扩展。
使用 shared_ptr 和引用不可变对象在性能上有什么差异？
基准测试显示，使用 shared_ptr 时吞吐量几乎不随线程数增加而提升，甚至两线程时低于单线程；而使用引用不可变对象时吞吐量随线程数线性扩展，16 线程时速度提升约 725 倍。
为什么两个线程时 shared_ptr 的吞吐量反而比单线程低？
因为两个线程在不同核心上同时更新同一个原子引用计数，缓存行需要在核心间同步，引入额外延迟和竞争，导致吞吐量下降。
如何避免 shared_ptr 复制带来的原子操作开销？
可以改用对不可变对象的引用，避免复制 shared_ptr，从而避免原子引用计数的更新。同时，应尽量减少不必要的 shared_ptr 复制。
在哪些场景下 shared_ptr 的原子操作开销可以忽略？
在单线程且工作负载较重的情况下，原子引用计数的开销几乎可以忽略；但在多线程环境下，竞争会成为瓶颈。
基准测试中使用了什么硬件和编译选项？
测试在 8 核 16 线程的 Intel Core i9-9900K CPU 上进行，使用 g++ -O3 -DNDEBUG -std=c++17 -pthread 编译。
