【C++入门到精通】智能指针 shared_ptr循环引用 | weak_ptr 简介及C++模拟实现 [ C++入门 ]

引言

欢迎阅读本系列文章的第二篇，我们将继续探讨与 shared_ptr 相关的主题。上一篇文章我们介绍了 shared_ptr 的强大功能，但也提到了它可能面临的一个问题 —— 循环引用。当两个或多个对象之间相互持有 shared_ptr 的引用时，就会形成循环引用，导致这些对象无法被正确释放，从而引发内存泄漏。

在本文中，我们将深入讨论循环引用问题，并引入另一个智能指针类——weak_ptr。weak_ptr 是 shared_ptr 的伙伴，它可以帮助我们解决循环引用问题，并且不会增加引用计数，以避免对象无法释放的情况。

通过学习 shared_ptr 和 weak_ptr 的组合使用，我们将能够更好地管理动态分配的对象，避免内存泄漏，并提高代码的健壮性和可维护性。敬请期待本文的剖析和示例，希望能给您带来更深入的了解和实践经验。

一、std::shared_ptr的循环引用

1. 概念

当使用 std::shared_ptr 时，循环引用是一种常见的问题。循环引用指的是两个或多个对象彼此持有 shared_ptr 的引用，形成一个环状依赖关系。这种情况下，即使没有外部引用指向这些对象，它们的引用计数也无法降为零，从而导致内存泄漏。

循环引用可能会导致内存泄漏的发生，因为每个对象都会持有对其他对象的引用，导致它们的引用计数无法归零。当没有外部引用指向这些对象时，它们的析构函数不会被调用，从而导致资源无法正确释放。

2. 示例分析

首先我们来看一段代码，这段代码就明显存在着循环引用。

struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	return 0;
}

✅循环引用分析：

1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
6. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。

⭕让我们通过下面这个图片来说上面这个问题：

为了解决循环引用问题，可以使用 std::weak_ptr。std::weak_ptr 是一种弱引用，它可以指向 std::shared_ptr 持有的对象，但不会增加对象的引用计数。这样，即使存在循环引用，通过使用 std::weak_ptr 可以打破循环引用，使对象的引用计数能够正确降为零，从而触发析构函数的调用。

二、std::weak_ptr

1. 简介

std::weak_ptr 是 C++11 标准库中提供的一种弱引用智能指针，它可以指向 std::shared_ptr 所管理的对象，但不会增加对象的引用计数。因此，当使用 std::weak_ptr 时，如果 std::shared_ptr 对象被释放或者过期，std::weak_ptr 将自动失效，避免了循环引用导致的内存泄漏问题。

std::weak_ptr官方文档

2. weak_ptr模板类提供的成员方法

和 shared_ptr、unique_ptr 相比，weak_ptr 模板类提供的成员方法不多，下表罗列了常用的成员方法及各自的功能。

成员方法	功能
operator=	重载 = 赋值运算符，使得 std::weak_ptr 指针可以直接被 std::weak_ptr 或者 std::shared_ptr 类型指针赋值。
swap(x)	其中 x 表示一个同类型的 std::weak_ptr 类型指针，该函数可以互换两个同类型 std::weak_ptr 指针的内容。
reset()	将当前 std::weak_ptr 指针置为空指针。
use_count()	查看指向和当前 std::weak_ptr 指针相同的 std::shared_ptr 指针的数量。
expired()	判断当前 std::weak_ptr 指针是否过期（指针为空，或者指向的堆内存已经被释放）。
lock()	如果当前 std::weak_ptr 已经过期，则该函数会返回一个空的 std::shared_ptr 指针；反之，该函数返回一个和当前 std::weak_ptr 指向相同的 std::shared_ptr 指针。

注意：weak_ptr 模板类没有重载 * 和 -> 运算符，因此 weak_ptr 类型指针只能访问某一 shared_ptr 指针指向的堆内存空间，无法对其进行修改。

3. 使用示例

（1）weak_ptr指针的创建

创建 std::weak_ptr 指针的方式和创建 std::shared_ptr 的方式类似。下面列举了三种常见的创建 std::weak_ptr 的方式：

1. 从 std::shared_ptr 创建

可以通过将 std::shared_ptr 赋值给 std::weak_ptr 来创建一个弱引用指针，例如：

std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wptr(sptr);

上述代码中，我们首先创建了一个 std::shared_ptr 对象 sptr，它指向一个动态分配的 int 类型对象。然后，我们将 sptr 赋值给 std::weak_ptr 对象 wptr，创建了一个弱引用指针。

2. 从 std::shared_ptr 转换

可以通过 std::shared_ptr 的 weak_ptr 成员函数，将 std::shared_ptr 转换为 std::weak_ptr，例如：

std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wptr = sptr->weak_ptr();

上述代码中，我们首先创建了一个 std::shared_ptr 对象 sptr，它指向一个动态分配的 int 类型对象。然后，我们调用 sptr 的 weak_ptr() 成员函数，将 sptr 转换为 std::weak_ptr 对象 wptr，创建了一个弱引用指针。

3. 使用 std::weak_ptr 的构造函数

可以直接使用 std::weak_ptr 的构造函数，创建一个空的弱引用指针，例如：

std::weak_ptr<int> wptr;

上述代码中，我们直接创建了一个空的 std::weak_ptr 对象 wptr，它不持有任何对象的引用。

（2）完整示例（解决上面循环引用问题）

使用 std::weak_ptr 修改上面的代码，可以将 _prev 和 _next 成员变量改为 std::weak_ptr 类型。这样可以避免循环引用，同时仍然可以访问链表中的前一个节点和后一个节点

struct ListNode
{
	int _data;
	weak_ptr<ListNode> _prev;
	weak_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};

int main()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;

	// 使用 weak_ptr.lock() 获取 shared_ptr 对象
	shared_ptr<ListNode> node1Next = node1->_next.lock();
	shared_ptr<ListNode> node2Prev = node2->_prev.lock();
	if (node1Next)
		cout << "node1 next data: " << node1Next->_data << endl;
	else
		cout << "node1 next is nullptr" << endl;
	if (node2Prev)
		cout << "node2 prev data: " << node2Prev->_data << endl;
	else
		cout << "node2 prev is nullptr" << endl;

	return 0;
}

运行上述代码，可以得到如下输出：

1
1
2
2
node1 next data: 0
node2 prev data: 0

在上面的代码示例中，我们创建了两个节点 node1 和 node2，并通过 std::weak_ptr 进行相互引用。

shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

接下来，我们设置节点之间的关系。修改前的代码如下：

node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;

我们将 _next 和 _prev 成员变量的类型从 shared_ptr 改为 weak_ptr：

weak_ptr<ListNode> _prev;
weak_ptr<ListNode> _next;

这样就建立了节点之间的弱引用关系，避免了循环引用。

接下来，我们可以通过 lock() 方法将 std::weak_ptr 转换为 std::shared_ptr，以访问所管理的对象。

shared_ptr<ListNode> node1Next = node1->_next.lock();
shared_ptr<ListNode> node2Prev = node2->_prev.lock();

如果 std::weak_ptr 不过期（即所管理的对象还存在），lock() 方法会返回一个有效的 std::shared_ptr 对象，否则返回空指针。

最后，我们可以使用这些 std::shared_ptr 对象来访问链表中的前驱和后继节点的数据。

if (node1Next)
    cout << "node1 next data: " << node1Next->_data << endl;
else
    cout << "node1 next is nullptr" << endl;

if (node2Prev)
    cout << "node2 prev data: " << node2Prev->_data << endl;
else
    cout << "node2 prev is nullptr" << endl;

通过这种方式，我们可以安全地访问链表中的前驱和后继节点，而不会导致循环引用和内存泄漏。

4. C++模拟实现

template<class T>
class weak_ptr
{
public:
    // 默认构造函数，将_ptr成员指针初始化为nullptr
    weak_ptr()
        :_ptr(nullptr)
    {}

    // 接受shared_ptr参数的构造函数，将_ptr成员指针初始化为shared_ptr所管理对象的指针
    weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
        :_ptr(sp.get())
    {}

    // 重载*运算符，返回所管理对象的引用
    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    // 重载->运算符，返回所管理对象的指针
    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }

    // 返回所管理对象的指针
    T* get()
    {
        return _ptr;
    }

private:
    T* _ptr; // 所管理对象的指针
};

这段代码是一个简化版的 weak_ptr 类的实现，提供了一些基本的功能。

首先，我们可以看到 weak_ptr 类有一个默认构造函数和一个接受 shared_ptr 参数的构造函数。默认构造函数将 _ptr 成员指针初始化为 nullptr，而接受 shared_ptr 参数的构造函数将 _ptr 成员指针初始化为 shared_ptr 所管理对象的指针。

接下来，我们可以看到 weak_ptr 重载了 * 和 -> 运算符，使得可以像使用指针一样，通过 weak_ptr 对象访问所管理的对象。operator*() 返回所管理对象的引用，operator->() 返回所管理对象的指针。

同时，weak_ptr 还提供了一个 get() 方法，返回 _ptr 指针，即所管理对象的指针。这允许用户直接访问 _ptr 指针，但需要注意，这种直接访问可能会导致悬空指针问题，因为 _ptr 指针可能已经无效（所管理对象已被释放）。

注意：这个简化版的 weak_ptr 实现没有考虑线程安全性。在实际应用中，weak_ptr 需要与其他智能指针共同使用，比如 shared_ptr、unique_ptr，并且需要考虑线程安全性和异常安全性。

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