第22课 weak_ptr弱引用智能指针

一. weak_ptr的概况

(一)weak_ptr的创建

  1. 直接初始化:weak_ptr wp(sp); //其中sp为shared_ptr类型

  2. 赋值: wp1 = sp; //其中sp为shared_ptr类型

        wp2 = wp1; //其中wp1为weak_ptr类型

(二)常用操作

  1. use_count():获取当前控制块中资源的强引用计数。

  2. expired():判断所观测的资源是否失效(即己经被释放),即use_count是否为0。

    (1)shared_ptr sp1 = wp.lock();//如果wp失效,则sp为空(其中wp为weak_ptr类型)

    (2)shared_ptr sp2(wp); //如果wp失效,则抛std::bad_weak_ptr异常

  3. lock():获取所监视资源的shared_ptr,如shared_ptr sp = wp.lock(); //wp为weak_ptr类型。

  4. reset():重置weak_ptr,影响弱引用计数

(三)注意事项

  1. weak_ptr不是独立的智能指针,它是shared_ptr的助手,只是监视shared_ptr管理的资源是否释放,不会影响强引用计数,不能管理资源。

  2.weak_ptr没有重载操作符*和->,因为它不共享指针,不能操作资源。

  3.weak_ptr主要用来代替可能空悬的shared_ptr

【编程实验】weak_ptr初体验

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    auto sp1 = make_shared<int>(10);
    weak_ptr<int> wp(sp1);  //通过shared_ptr初始化
    weak_ptr<int> wp1, wp2;
    wp1 = sp1;   //利用shared_ptr来赋值
    wp2 = wp;    //利用weak_ptr赋值
    auto sp2 = wp2.lock(); //sp2为shared_ptr类型

    sp1 = nullptr;

    cout << wp2.use_count() << endl; //1,强引用计数
    return 0;
}

二. weak_ptr的应用

(一)缓存对象

  1. 考虑一个工厂函数loadWidget,该函数基于唯一ID来创建一些指向只读对象的智能指针。

  2. 假设该只读对象需要被频繁使用,而且经常需要从文件或数据库中加载。那么可以考虑将对象缓存起来。同时为了避免过量缓存,当不再使用时,则将该对象删除。

  3. 由于带缓存,工厂函数返回unique_ptr类型显然不合适。因为调用者和缓存管理器均需要一个指向这些对象的指针。

  4. 当用户用完工厂函数返回的对象后,该对象会被析构,此时相应的缓存条目将会空悬。因为可以考虑将工厂函数的返回值设定为shared_ptr类型,而缓存类型为weak_ptr类型

(二)观察者模式

   1. 观察者模式是在subject状态发生改变时,通知观察者的一种设计模式。

   2. 在多数实现中,每个subject持有指向观察者的指针,这使得当subject状态改变时可以很容易通知观察者。

   3. subject不会控制其观察者的生存期,因此应该是持有观察者的weak_ptr指针。同时在subject的使用某个指针时,可以先确定是否空悬。

(三)解决循环引用

  第22课 weak_ptr弱引用智能指针_第1张图片

  1. A、B、C三个对象的数据结构中,A和C共享B的所有权,因此各持有一个指向B的std::shared_ptr;

  2. 假设有一个指针从B指回A(即上图中的红色箭头),则该指针的类型应为weak_ptr,而不能是裸指针或shared_ptr,原因如下:

   ①假如是裸指针,当A被析构时,由于C仍指向B,所以B会被保留。但B中保存着指向A的空悬指针(野指针),而B却检测不出来,但解引用该指针时会产生未定义行为。

   ②假如是shared_ptr时。由于A和B相互保存着指向对方的shared_ptr,此时会形成循环引用,从而阻止了A和B的析构。

   ③假如是weak_ptr,这可以避免循环引用。假设A被析构,那么B的回指指针会空悬,但B可以检测到这一点,同时由于该指针是weak_ptr,不会影响A的强引用计数,因此当shared_ptr不再指向A时,不会阻止A的析构。

(四)监视this智能指针:见《第21课》中的enable_shared_from_this,其中的weak_this_指针即为weak_ptr类型,用于监视this指针。

【编程实验】weak_ptr的使用

#include 
#include  //for smart pointer
#include  //for unordered_map
#include <set>

using namespace std;

class Widget
{
public:
    Widget(int id):ID(id){}
    
    int ID;
};

//1. 利用weak_ptr来缓存对象
//模拟从数据库中加载,并创建shared_ptr指向widget对象
shared_ptr loadWidget(int WidgetID)
{
    return make_shared(WidgetID); 
}

//带缓存的工厂函数
std::shared_ptr<const Widget> fastloadWidget(int WidgetID) //返回shared_ptr类型
{
    //缓存:weak_ptr类型
    static std::unordered_map<int, std::weak_ptr<const Widget>> cache;

    auto objPtr = cache[WidgetID].lock(); //objPtr的类型为shared_ptr,指向缓存的对象

    if (!objPtr) { //如果对象不在缓存中. 这里省略了缓存中因失效而不断累积std::weak_ptr的处理。
        objPtr = loadWidget(WidgetID);
        cache[WidgetID] = objPtr;
    }

    return objPtr;
}

//2. 观察者模式
//2.1 观察者
class WeatherObservers //抽象观察者
{
public:
    virtual void updateWeatherInfo(int num) = 0;
};
//机场:具体观察者
class Airport : public WeatherObservers
{
public:
    void updateWeatherInfo(int num) override
    {
        std::cout <<"Airport: " << num << endl;
    }
};
//学校:具体观察者
class School : public WeatherObservers
{
public:
    void updateWeatherInfo(int num) override
    {
        std::cout << "School: " << num << endl;
    }
};

//2.1 主题(气象站)
class WeatherStation
{
    using ObserverPtr = std::weak_ptr; //弱引用

    //set集合中保存观察者的弱引用(以ObserverPtr为关键字,基于ownership排序)
    using ObserverList = std::set>;

    ObserverList obs; //保存所有观察者
public:
    //注册观察者
    void registerObserver(const ObserverPtr oPtr)
    {
        if (obs.find(oPtr) == obs.end()) {
            obs.insert(oPtr);
        }
    }
    //注销观察者
    void unregisterObserver(const ObserverPtr oPtr) //oPtr为weak_ptr类型
    {
        if (obs.find(oPtr) != obs.end())
        {
            obs.erase(oPtr);
        }
    }

    //通知各个观察者
    void notifyObservers(int num)
    {
        std::shared_ptr tempPtr;
        for (auto& ob : obs)
        {
            if ((tempPtr = ob.lock())) {
                tempPtr->updateWeatherInfo(num);
            }
        }
    }
};


int main()
{
    //观察者模式
    WeatherStation station;
    std::shared_ptr airport(new Airport());
    std::shared_ptr  school(new School());

    station.registerObserver(airport);
    station.registerObserver(school);

    station.notifyObservers(1);

    station.unregisterObserver(school);
    station.notifyObservers(2);

    return 0;
}
/*输出结果
Airport: 1
School: 1
Airport: 2
*/

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