【C++11新特性】 C++11智能指针之weak_ptr

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如题，我们今天要讲的是C++11引入的三种智能指针中的最后一个：weak_ptr。在学习weak_ptr之前最好对shared_ptr有所了解。如果你还不知道shared_ptr是何物，可以看看我的另一篇文章【C++11新特性】 C++11智能指针之shared_ptr。

1、为什么需要weak_ptr？

在正式介绍weak_ptr之前，我们先来回忆一下shared_ptr的一些知识。我们知道shared_ptr是采用引用计数的智能指针，多个shared_ptr实例可以指向同一个动态对象，并维护了一个共享的引用计数器。对于引用计数法实现的计数，总是避免不了循环引用（或环形引用）的问题，shared_ptr也不例外。

我们先来看看下面这个例子：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
using namespace std;

class ClassB;

class ClassA
{
public:
    ClassA() { cout << "ClassA Constructor..." << endl; }
    ~ClassA() { cout << "ClassA Destructor..." << endl; }
    shared_ptr<ClassB> pb;  // 在A中引用B
};

class ClassB
{
public:
    ClassB() { cout << "ClassB Constructor..." << endl; }
    ~ClassB() { cout << "ClassB Destructor..." << endl; }
    shared_ptr<ClassA> pa;  // 在B中引用A
};

int main() {
    shared_ptr<ClassA> spa = make_shared<ClassA>();
    shared_ptr<ClassB> spb = make_shared<ClassB>();
    spa->pb = spb;
    spb->pa = spa;
    // 函数结束，思考一下：spa和spb会释放资源么？
}

上面代码的输出如下：

ClassA Constructor... ClassB Constructor... Program ended with exit code: 0

从上面代码中，ClassA和ClassB间存在着循环引用，从运行结果中我们可以看到：当main函数运行结束后，spa和spb管理的动态资源并没有得到释放，产生了内存泄露。

为了解决类似这样的问题，C++11引入了weak_ptr，来打破这种循环引用。

2、weak_ptr是什么？

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，它指向一个由shared_ptr管理的对象而不影响所指对象的生命周期，也就是将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。不论是否有weak_ptr指向，一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。从这个角度看，weak_ptr更像是shared_ptr的一个助手而不是智能指针。

3、weak_ptr如何使用？

接下来，我们来看看weak_ptr的简单用法。

3.1如何创建weak_ptr实例

当我们创建一个weak_ptr时，需要用一个shared_ptr实例来初始化weak_ptr，由于是弱共享，weak_ptr的创建并不会影响shared_ptr的引用计数值。

示例：

int main() {
    shared_ptr<int> sp(new int(5));
    cout << "创建前sp的引用计数：" << sp.use_count() << endl;    // use_count = 1

    weak_ptr<int> wp(sp);
    cout << "创建后sp的引用计数：" << sp.use_count() << endl;    // use_count = 1
}

3.2如何判断weak_ptr指向对象是否存在

既然weak_ptr并不改变其所共享的shared_ptr实例的引用计数，那就可能存在weak_ptr指向的对象被释放掉这种情况。这时，我们就不能使用weak_ptr直接访问对象。那么我们如何判断weak_ptr指向对象是否存在呢？C++中提供了lock函数来实现该功能。如果对象存在，lock()函数返回一个指向共享对象的shared_ptr，否则返回一个空shared_ptr。

示例：

class A
{
public:
    A() : a(3) { cout << "A Constructor..." << endl; }
    ~A() { cout << "A Destructor..." << endl; }

    int a;
};

int main() {
    shared_ptr<A> sp(new A());
    weak_ptr<A> wp(sp);
    //sp.reset();

    if (shared_ptr<A> pa = wp.lock())
    {
        cout << pa->a << endl;
    }
    else
    {
        cout << "wp指向对象为空" << endl;
    }
}

试试把sp.reset()这行的注释去掉看看结果有什么不同。

除此之外，weak_ptr还提供了expired()函数来判断所指对象是否已经被销毁。

示例：

class A
{
public:
    A() : a(3) { cout << "A Constructor..." << endl; }
    ~A() { cout << "A Destructor..." << endl; }

    int a;
};

int main() {
    shared_ptr<A> sp(new A());
    weak_ptr<A> wp(sp);
    sp.reset(); // 此时sp被销毁
    cout << wp.expired() << endl;  // true表示已被销毁，否则为false
}

代码输入如下：

A Constructor... A Destructor... 1

3.3如何使用weak_ptr

weak_ptr并没有重载operator->和operator *操作符，因此不可直接通过weak_ptr使用对象，典型的用法是调用其lock函数来获得shared_ptr示例，进而访问原始对象。

最后，我们来看看如何使用weak_ptr来改造最前面的代码，打破循环引用问题。

class ClassB;

class ClassA
{
public:
    ClassA() { cout << "ClassA Constructor..." << endl; }
    ~ClassA() { cout << "ClassA Destructor..." << endl; }
    weak_ptr<ClassB> pb;  // 在A中引用B
};

class ClassB
{
public:
    ClassB() { cout << "ClassB Constructor..." << endl; }
    ~ClassB() { cout << "ClassB Destructor..." << endl; }
    weak_ptr<ClassA> pa;  // 在B中引用A
};

int main() {
    shared_ptr<ClassA> spa = make_shared<ClassA>();
    shared_ptr<ClassB> spb = make_shared<ClassB>();
    spa->pb = spb;
    spb->pa = spa;
    // 函数结束，思考一下：spa和spb会释放资源么？
}

输出结果如下：

ClassA Constructor... ClassB Constructor... ClassA Destructor... ClassB Destructor... Program ended with exit code: 0

从运行结果可以看到spa和spb指向的对象都得到释放！