C++智能指针(二)——weak_ptr初探

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1. shared_ptr 存在的问题

与 shared_ptr 的引入要解决普通指针存在的一些问题一样，weak_ptr 的引入，也是因为 shared_ptr 本身在某些情况下，存在一些问题或有一些不完善的地方，考虑以下两个场景：

• 循环引用(cyclic references)。如果两个对象使用 shared_ptrs 互相引用，那么就算将两个对象指针设为nullptr，此时理应释放资源，但由于内部的循环引用，此时 shared_ptrs 的 use_count() = 1，导致并不会释放资源
  
  下面为循环引用的一个具体示例代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
shared_ptr<Person> mother;
shared_ptr<Person> father;
vector<shared_ptr<Person>> kids;
Person (const string& n,
shared_ptr<Person> m = nullptr,
shared_ptr<Person> f = nullptr)
: name(n), mother(m), father(f) {
}
~Person() {
cout << "delete " << name << endl;
}
};
shared_ptr<Person> initFamily (const string& name)
{
shared_ptr<Person> mom(new Person(name+"’s mom"));
shared_ptr<Person> dad(new Person(name+"’s dad"));
shared_ptr<Person> kid(new Person(name,mom,dad));
mom->kids.push_back(kid);
dad->kids.push_back(kid);
return kid;
}
int main()
{
shared_ptr<Person> p = initFamily("nico");
cout << "nico’s family exists" << endl;
cout << "- nico is shared " << p.use_count() << " times" << endl;
cout << "- name of 1st kid of nico’s mom: "
<< p->mother->kids[0]->name << endl;
p = initFamily("jim");
cout << "jim’s family exists" << endl;
}

首先，initFamily() 创建了三个Person对象：mon，dad 和 kid。kid 使用了 mom 和 dad 的共享指针进行创建。mom 和 dad 也将 kid 共享指针插入到 vector 中，最后将 kid 指针返回给 p，initFamily() 调用完结果如下图所示。

kid 有指向 mom 和 dad 的指针，mom 和 dad 中也有指向 kid 的指针，此时循环引用就产生了。因此这里 p 的 use_count=3，所以当赋值一个新的Person给p或者让p为nullptr，或者在 main() 末尾离开了 p 的作用域 —— 没有 Person 对象会被释放，因为每个至少有一个指针指向，因此输出 delete name 永远不会调用，实际输出如下：

nico’s family exists
- nico shared 3 times
- name of 1st kid of nicos mom: nico
jim’s family exists

• 如果只是想共享而不是想拥有对象。即一个指针的生命周期要长于指向对象的生命周期。此时使用 shared_ptrs 会导致无法释放资源，使用普通指针存在访问释放资源的风险，后续对weak_ptr使用的讲解中进一步说明。

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2. 使用weak_ptr

鉴于上面 shared_ptr 存在的问题，C++11 提供了 weak_ptr 类，允许共享对象，但并不实际拥有对象，这个类需要传入一个共享指针来创建。当最后一个共享指针失去对象所有权(要释放空间与资源了)，共享对象的 weak_ptr 自动设为空(本来就没有对象的所有权，自然也不负责对于空间与资源的释放) 。

我们使用 weak_ptr 改写上面的代码：

class Person {
public:
string name;
shared_ptr<Person> mother;
shared_ptr<Person> father;
vector<weak_ptr<Person>> kids; // weak pointer !!!
Person (const string& n,
shared_ptr<Person> m = nullptr,
shared_ptr<Person> f = nullptr)
: name(n), mother(m), father(f) {
}
~Person() {
cout << "delete " << name << endl;
}
};

通过使用 weak_ptr 打破共享指针的循环引用，只有 kid 指向父母的指针使用共享指针，父母指向 kid 的指针使用(下图中的虚线)

这样 p 的 use_coun=1，所以 p 删除时，会释放对应的内存和资源。程序输出如下：

nico’s family exists
- nico shared 1 times
- name of 1st kid of nicos mom: nico
delete nico
delete nico’s dad
delete nico’s mom
jim’s family exists
delete jim
delete jim’s dad
delete jim’s mom

下面详细讲解 weak_ptr 的使用

2.1 初始化 weak_ptr

因为 weak_ptr 只能使用 shared_ptr 初始化，所以 weak_ptr 只提供了默认构造函数、拷贝构造函数以及传入 shared_ptr 的构造函数，因为不是显式构造函数，所以可以在 vector 中直接插入共享指针(隐式转换)：

mom->kids.push_back(kid);
dad->kids.push_back(kid);

2.2 访问数据

之前使用 shared_ptr 访问 vector 中共享指针指向的数据使用以下语法：

p->mother->kids[0]->name

而对于 weak_ptr 则要使用如下语法：

p->mother->kids[0].lock()->name

lock() 获取共享指针，。如果在 lock 获取共享指针时，资源已经被释放了，则返回空的 shared_ptr。

此时，再调用操作符 * 或 -> 都会产生未定义行为。

因此，最好在获取共享指针前，首先对资源是否释放进行检查，有如下 3 种方法：

1. 调用 expired() 方法，如果 weak_ptr 不再共享一个对象则返回 true。这与检查 use_count() 是否等于 0 是等价的，但可能运行速度更快。
2. 可以显式将 weak_ptr 使用对应构造函数转换为 shared_ptr。如果此时没有合法的引用对象，则这个构造函数抛出一个 bad_weak_ptr 异常。 这是一个派生自 std::exception 的一个异常，what() 返回 bad_weak_ptr (每个设备上实现有所差异)。
3. 可以调用 use_count() 查询关联对象所有者的数量。如果返回值是 0，这将不会再有合法对象。这个方法最好只是在debug时使用，因为效率不高。

三种方法的具体代码如下：

try {
shared_ptr<string> sp(new string("hi")); // create shared pointer
weak_ptr<string> wp = sp; // create weak pointer out of it
sp.reset(); // release object of shared pointer
cout << wp.use_count() << endl; // prints: 0
cout << boolalpha << wp.expired() << endl; // prints: true
shared_ptr<string> p(wp); // throws std::bad_weak_ptr
}
catch (const std::exception& e) {
cerr << "exception: " << e.what() << endl; // prints: bad_weak_ptr
}

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3. 附录

A. weak_ptr 操作列表

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4. 参考文献

《The C++ Standard Library》A Tutorial and Reference, Second Edition, Nicolai M. Josuttis.