智能指针（三）：weak_ptr浅析

前言

weak_ptr这个指针天生一副“小弟”的模样，也是在C++11的时候引入的标准库，它的出现完全是为了弥补它老大shared_ptr天生有缺陷的问题，其实相比于上一代的智能指针auto_ptr来说，新进老大shared_ptr可以说近乎完美，但是通过引用计数实现的它，虽然解决了指针独占的问题，但也引来了引用成环的问题，这种问题靠它自己是没办法解决的，所以在C++11的时候将shared_ptr和weak_ptr一起引入了标准库，用来解决循环引用的问题。

weak_ptr本身也是一个模板类，但是不能直接用它来定义一个智能指针的对象，只能配合shared_ptr来使用，可以将shared_ptr的对象赋值给weak_ptr，并且这样并不会改变引用计数的值。查看weak_ptr的代码时发现，它主要有lock、swap、reset、expired、operator=、use_count几个函数，与shared_ptr相比多了lock、expired函数，但是却少了get函数，甚至连operator* 和 operator->都没有，可用的函数数量少的可怜，下面通过一些例子来了解一下weak_ptr的具体用法。

使用环境

1. VS2015 + Windows7（应该是C++11标准）
2. 头文件#include
3. 命名空间using namespace std;

测试过程

1. weak_ptr解决shared_ptr循环引用的问题
   定义两个类，每个类中又包含一个指向对方类型的智能指针作为成员变量，然后创建对象，设置完成后查看引用计数后退出，看一下测试结果：

class CB;
class CA
{
public:
    CA() { cout << "CA() called! " << endl; }
    ~CA() { cout << "~CA() called! " << endl; }
    void set_ptr(shared_ptr<CB>& ptr) { m_ptr_b = ptr; }
    void b_use_count() { cout << "b use count : " << m_ptr_b.use_count() << endl; }
    void show() { cout << "this is class CA!" << endl; }
private:
    shared_ptr<CB> m_ptr_b;
};

class CB
{
public:
    CB() { cout << "CB() called! " << endl; }
    ~CB() { cout << "~CB() called! " << endl; }
    void set_ptr(shared_ptr<CA>& ptr) { m_ptr_a = ptr; }
    void a_use_count() { cout << "a use count : " << m_ptr_a.use_count() << endl; }
    void show() { cout << "this is class CB!" << endl; }
private:
    shared_ptr<CA> m_ptr_a;
};

void test_refer_to_each_other()
{
    shared_ptr<CA> ptr_a(new CA());
    shared_ptr<CB> ptr_b(new CB());

    cout << "a use count : " << ptr_a.use_count() << endl;
    cout << "b use count : " << ptr_b.use_count() << endl;

    ptr_a->set_ptr(ptr_b);
    ptr_b->set_ptr(ptr_a);

    cout << "a use count : " << ptr_a.use_count() << endl;
    cout << "b use count : " << ptr_b.use_count() << endl;
}

测试结果如下：

CA() called!
CB() called!
a use count : 1
b use count : 1
a use count : 2
b use count : 2

通过结果可以看到，最后CA和CB的对象并没有被析构，其中的引用效果如下图所示，起初定义完ptr_a和ptr_b时，只有①③两条引用，然后调用函数set_ptr后又增加了②④两条引用，当test_refer_to_each_other这个函数返回时，对象ptr_a和ptr_b被销毁，也就是①③两条引用会被断开，但是②④两条引用依然存在，每一个的引用计数都不为0，结果就导致其指向的内部对象无法析构，造成内存泄漏。

解决这种状况的办法就是将两个类中的一个成员变量改为weak_ptr对象，因为weak_ptr不会增加引用计数，使得引用形不成环，最后就可以正常的释放内部的对象，不会造成内存泄漏，比如将CB中的成员变量改为weak_ptr对象，代码如下：

class CB
{
public:
    CB() { cout << "CB() called! " << endl; }
    ~CB() { cout << "~CB() called! " << endl; }
    void set_ptr(shared_ptr<CA>& ptr) { m_ptr_a = ptr; }
    void a_use_count() { cout << "a use count : " << m_ptr_a.use_count() << endl; }
    void show() { cout << "this is class CB!" << endl; }
private:
    weak_ptr<CA> m_ptr_a;
};

测试结果如下：

CA() called!
CB() called!
a use count : 1
b use count : 1
a use count : 1
b use count : 2
~CA() called!
~CB() called!

通过这次结果可以看到，CA和CB的对象都被正常的析构了，引用关系如下图所示，流程与上一例子相似，但是不同的是④这条引用是通过weak_ptr建立的，并不会增加引用计数，也就是说CA的对象只有一个引用计数，而CB的对象只有2个引用计数，当test_refer_to_each_other这个函数返回时，对象ptr_a和ptr_b被销毁，也就是①③两条引用会被断开，此时CA对象的引用计数会减为0，对象被销毁，其内部的m_ptr_b成员变量也会被析构，导致CB对象的引用计数会减为0，对象被销毁，进而解决了引用成环的问题。

2. 测试weak_ptr对引用计数的影响
其实weak_ptr本身设计的很简单，就是为了辅助shared_ptr的，它本身不能直接定义指向原始指针的对象，只能指向shared_ptr对象，同时也不能将weak_ptr对象直接赋值给shared_ptr类型的变量，最重要的一点是赋值给它不会增加引用计数：

void test1()
{
    // 编译错误 // error C2665: “std::weak_ptr::weak_ptr”: 3 个重载中没有一个可以转换所有参数类型
    // weak_ptr ptr_1(new CA());

    shared_ptr<CA> ptr_1(new CA());

    cout << "ptr_1 use count : " << ptr_1.use_count() << endl; // 输出：ptr_1 use count : 1

    shared_ptr<CA> ptr_2 = ptr_1;

    cout << "ptr_1 use count : " << ptr_1.use_count() << endl; // 输出：ptr_1 use count : 2
    cout << "ptr_2 use count : " << ptr_2.use_count() << endl; // 输出：ptr_1 use count : 2

    weak_ptr<CA> wk_ptr = ptr_1;

    cout << "ptr_1 use count : " << ptr_1.use_count() << endl; // 输出：ptr_1 use count : 2
    cout << "ptr_2 use count : " << ptr_2.use_count() << endl; // 输出：ptr_1 use count : 2

    // 编译错误
    // error C2440 : “初始化”: 无法从“std::weak_ptr”转换为“std::shared_ptr”
    // shared_ptr ptr_3 = wk_ptr;
}

3. 测试weak_ptr常用函数的用法
   weak_ptr中只有函数lock和expired两个函数比较重要，因为它本身不会增加引用计数，所以它指向的对象可能在它用的时候已经被释放了，所以在用之前需要使用expired函数来检测是否过期，然后使用lock函数来获取其对应的shared_ptr对象，然后进行后续操作：

void test2()
{
    shared_ptr<CA> ptr_a(new CA());     // 输出：CA() called!
    shared_ptr<CB> ptr_b(new CB());     // 输出：CB() called!

    cout << "ptr_a use count : " << ptr_a.use_count() << endl; // 输出：ptr_a use count : 1
    cout << "ptr_b use count : " << ptr_b.use_count() << endl; // 输出：ptr_b use count : 1
    
    weak_ptr<CA> wk_ptr_a = ptr_a;
    weak_ptr<CB> wk_ptr_b = ptr_b;

    if (!wk_ptr_a.expired())
    {
        wk_ptr_a.lock()->show();        // 输出：this is class CA!
    }

    if (!wk_ptr_b.expired())
    {
        wk_ptr_b.lock()->show();        // 输出：this is class CB!
    }

    // 编译错误
    // 编译必须作用于相同的指针类型之间
    // wk_ptr_a.swap(wk_ptr_b);         // 调用交换函数

    wk_ptr_b.reset();                   // 将wk_ptr_b的指向清空
    if (wk_ptr_b.expired())
    {
        cout << "wk_ptr_b is invalid" << endl;  // 输出：wk_ptr_b is invalid 说明改指针已经无效
    }

    wk_ptr_b = ptr_b;
    if (!wk_ptr_b.expired())
    {
        wk_ptr_b.lock()->show();        // 输出：this is class CB! 调用赋值操作后，wk_ptr_b恢复有效
    }

    // 编译错误
    // 编译必须作用于相同的指针类型之间
    // wk_ptr_b = wk_ptr_a;


    // 最后输出的引用计数还是1，说明之前使用weak_ptr类型赋值，不会影响引用计数
    cout << "ptr_a use count : " << ptr_a.use_count() << endl; // 输出：ptr_a use count : 1
    cout << "ptr_b use count : " << ptr_b.use_count() << endl; // 输出：ptr_b use count : 1
}

现象分析

引用计数的出现，解决了对象独占的问题，但是也带来了循环引用的困扰，使用weak_ptr可以打破这种循环，当你理不清引用关系的时候，不妨采用文中画图的方式来理一理头绪，或许就会有眼前一亮的感觉。

总结

1. weak_ptr虽然是一个模板类，但是不能用来直接定义指向原始指针的对象。
2. weak_ptr接受shared_ptr类型的变量赋值，但是反过来是行不通的，需要使用lock函数。
3. weak_ptr设计之初就是为了服务于shared_ptr的，所以不增加引用计数就是它的核心功能。
4. 由于不知道什么之后weak_ptr所指向的对象就会被析构掉，所以使用之前请先使用expired函数检测一下。

测试源码

示例传送门：weak_ptr用法