C++11智能指针之weak_ptr详解

如题，我们今天要讲的是 C++11 引入的三种智能指针中的：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：