C++内存管理：weak_ptr

解决什么问题

举例：双向链表

已经有了shared_ptr和unique_ptr后，为什么还要提出weak_ptr呢？以双向链表为例说明，各种引用关系如下图所示：

class Node{
public:
    Node(){
        cout << "call Node constructor" << endl;
    }
    ~Node(){
        cout << "call Node destructor" << endl;
    }
    int data;
    shared_ptr<Node> pre;
    shared_ptr<Node> next; 
};

int main(){
    shared_ptr<Node> sp1(new Node());
    shared_ptr<Node> sp2(new Node());
    // == 1 
    cout<<sp1.use_count()<<endl;
    cout << sp2.use_count() << endl;
    // ==
    
    // == 2 
    // sp1 -> next = sp2;
    // sp2 -> pre= sp1;
    
    // cout<<sp1.use_count()<<endl;
    // cout << sp2.use_count() << endl;
    // ==
}

现象

在上述的代码中，只开启1对应的代码时，得到如下的输出：

当1和2都开启后，得到如下的输出：

发现当开启了2之后，析构函数没有被调用，说明出现了对象没有被销毁，出现了内存泄露。

原因

出现上述现象的原因在于，对于双向链表而言，当要释放node2内存空间时，需要指向node2的shared_ptr的reference count为0，为了实现这个目的，需要将node1.next释放，也就需要释放node1。

进一步，如果要释放node1，需要node2.pre被释放，也就需要释放node2。最后变成了：

• 要释放node2，先要释放node1；
• 要释放node1，先要释放node2；

即循环引用的问题。

weak_ptr的解决方式

只需要将Node中的next和pre变为weak_ptr即可，其余仍然不变。

class Node{
public:
    Node(){
        cout << "call Node constructor" << endl;
    }
    ~Node(){
        cout << "call Node destructor" << endl;
    }
    int data;
    weak_ptr<Node> pre;
    weak_ptr<Node> next; 
};

得到如下的输出：

发现能够成功调用到析构函数，说明内存被正确的释放了。

其中的原因在于，此时在双向链表中，node1和node2对应的shared_ptr的reference count均为1，没有形成环，也就没有循环引用的问题，可以自由释放。

特点

weak_ptr具有如下的特点：

• 不控制所指向对象的lifetime，也不负责释放该对象；

  do not control the lifetime of the object to which it points.

  • 所指向的对象由shared_ptr负责管理。

• 由于不负责管理该对象，因此其不会改变shared_ptr的reference count；

  因为不会改变object的引用计数，也不负责其的释放，因此当shared_ptr的引用计数为0后，即便存在weak_ptr指向该object，也会毫不犹豫的执行object的释放。

因此，总结来看，weak_ptr不负责、不管理所指向的object，只是一个“旁观者”。

初始化

weak_ptr的初始化要依赖shared_ptr：

auto p = make_shared<int>(42);
// wp weakly shares with p; use count in p is unchanged
// wp and p point to the same object
weak_ptr<int> wp(p);

确保object存在

因为当shared_ptr所指向的对象被删除后，weak_ptr也无效了，不能通过指针访问该对象了。因此，为了能够使得weak_ptr有效地访问该对象，必须进行判定。

if (shared_ptr<int> np = wp.lock()) { // 
// inside the if, np shares its object with p 
}

• lock returns a shared_ptr to the shared object.

只要shared_ptr仍然存在，其所指向的对象也就仍然存在。

相关操作

weak_ptr的相关操作如下图所示：

参考资料

1. C++ Primer - 12.1.6 weak_ptr