C++智能指针之weak_ptr

概述

作用

本文涉及的所有程序

使用说明

weak_ptr的常规操作

lock();

use_count();

expired();

reset();

shared_ptr & weak_ptr

尺寸

智能指针结构框架

常见使用问题

shared_ptr多次引用同一数据，会导致两次释放同一内存（只涉及shared_ptr）

shared_ptr循环引用导致内存泄露（涉及shared_ptr和weak_ptr）

shared_ptr指向局部变量的地址，会导致两次释放同一个内存（只涉及shared_ptr）

shared_ptr接收shared_ptr所实例化对象的this指针导致，会导致两次释放同一个内存（只涉及shared_ptr）

C++智能指针之weak_ptr

概述

std::weak_ptr 是一种智能指针，通常不单独使用，只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用，可以视为 shared_ptr 指针的一种辅助工具。借助 weak_ptr 类型指针可以获取 shared_ptr 指针的一些状态信息，比如有多少指向相同空间的 shared_ptr 指针、通过expired()判断shared_ptr 指针指向的堆内存是否已经被释放等等，还可以解决shared_ptr 循环引用的问题。

weak_ptr：类模板，弱指针（弱引用计数）
weak_ptr弱指针，不会控制影响对象的生命周期（不会改变对象的引用计数）,shared_ptr释放指向对象时，是不会考虑weak_ptr是否指向该对象
weak_ptr不是独立指针，不能单独操作所指向的资源（不配拥有对象）,更不能指向一个新的空间；

作用

weak_ptr指针一般用来辅助shared_ptr的使用（监视shared_ptr指向对象的生命周期）
weak_ptr和shared_ptr之间可以相互转换，shared_ptr可以直接赋值给weak_ptr，但是反过来是行不通的，需要使用lock函数。

本文涉及的所有程序

00_code.cpp

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class A
{
public:
    A()
    {
        cout << "A" << endl;
    }

    A(int num) : m_num(num)
    {
        cout << "A int" << endl;
    }

    A(const A&& other) : m_num(other.m_num)
    {
        cout << "A move int" << endl;
    }

    ~A()
    {
        cout << "~A" << endl;
    }

public:
    int m_num;
};

int main(int argc, char const* argv[])
{
    shared_ptr<A> pa(new A(5));
    weak_ptr<A> wpa = pa;
    weak_ptr<A> wpa2 = pa;
    weak_ptr<A> wpa3 = pa;

    // weak_ptr常用功能
    auto pb = wpa.lock();
    if (pb == nullptr)
    {
        cout << "pb is nullptr" << endl;
    }

    // use_count();返回的是shared_ptr的引用计数
    cout << wpa.use_count() << endl;

    // expired():判断当前弱指针指向的对象是否被释放
    if (wpa.expired())
    {
        cout << "wpa pointer class is free" << endl;
    }

    wpa.reset();
    return 0;
}

01_code.cpp

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class Child;

class Parent
{
public:
    Parent()
    {
        cout << "Parent" << endl;
    }
    ~Parent()
    {
        cout << "~Parent" << endl;
    }
    //shared_ptr<Child> c;
    weak_ptr<Child> c;
};

class Child
{
public:
    Child()
    {
        cout << "Child" << endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout << "~Child" << endl;
    }
    
    shared_ptr<Parent> p;
};

int main(int argc, char const* argv[])
{
    shared_ptr<Parent>pp(new Parent());//pp:1
    shared_ptr<Child>cc(new Child());//cc:1

    //循环引用
    pp->c = cc;//cc:1 pp:1
    cc->p = pp;//pp:2 cc:1

    cout << pp.use_count()<<endl;
    cout << cc.use_count() << endl;

    return 0;
}

02_code.cpp

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    shared_ptr<int> p(new int(5));
    weak_ptr<int> wp = p;

    //shared_ptr/weak_ptr的尺寸大小是裸指针的两倍
    cout << sizeof(int *) << endl;
    cout << sizeof(p) << endl;
    cout << sizeof(wp) << endl;

    return 0;
}

03_code.cpp

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class A:public enable_shared_from_this<A>
{
public:
    A()
    {
        cout << "A" << endl;
    }

    A(int num) : m_num(num)
    {
        cout << "A int" << endl;
    }

    A(const A &&other) : m_num(other.m_num)
    {
        cout << "A move int" << endl;
    }
    shared_ptr<A> getAddr()
    {
        //return shared_ptr<A>(this);
        return shared_from_this();//返回可共享的this指针
    }

    ~A()
    {
        cout << "~A" << endl;
    }

public:
    int m_num;
};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // A a;
    // shared_ptr<A>temp(&a);
    // shared_ptr<A> temp = a.getAddr();

    // int num = 5;
    // shared_ptr<int>p(&num);

    //shared_ptr<A> pa(new A());
    A *pa = new A();
    shared_ptr<A> temp = pa->getAddr();
    return 0;
}

使用说明

在VS2022中进行调试，执行完第一条语句后，pa的强引用计数加1

执行完第二句的弱指针赋值后，发现多了一个弱引用计数，和强引用计数一样都为1

增加pa.reset()的操作。通过调试可以发现：不关心是否有弱指针指向当前对象，只要指向当前的指针强引用计数为0了，当前对象就会调用析构函数释放空间。

weak_ptr无法指向一个新的空间（只能指向已有的智能指针），它不配拥有一个对象，只能作为一个指向

weak_ptr不可以直接赋值给shared_ptr

weak_ptr的常规操作

lock();

获取弱指针指向的对象对应的共享指针，如果指向的对象释放，那么返回一个nullptr

调用lock函数来获得shared_ptr（如果对象已经被释放，则返回一个空的shared_ptr）

（有些书上叫做将弱指针转换为共享指针）

在VS2022下调试结果如下：

在调用lock前，pa的强引用计数为1

在调用lock后，pa的强引用计数变为2

use_count();

功能：返回有多少个shared_ptr智能指针指向某对象；（引用计数的个数）

用途：主要用于调试

expired();

判断弱指针是否过期（所指向的对象是否被释放true/false）

reset();

将该弱指针设置为空，弱引用计数减1，强引用计数不变

执行wpa.reset前，弱引用计数为3，强引用计数为2

执行wpa.reset后，弱引用计数减1，变为2；强引用计数仍为2

shared_ptr & weak_ptr

尺寸

shared_ptr和weak_ptr一样大，是裸指针的两倍；

智能指针结构框架

从中可以发现智能指针实际上由两个指针组成：一个指针指向数据，一个指针指向控制块

常见使用问题

shared_ptr多次引用同一数据，会导致两次释放同一内存（只涉及shared_ptr）

int* pInt = new int[100];

shared_ptr sp1(pInt);

// 一些其它代码之后…

shared_ptr sp2(pInt);

shared_ptr循环引用导致内存泄露（涉及shared_ptr和weak_ptr）

我们定义了两个类：Parent和Child，两个类没有继承关系；在Parent中定义了一个Child的智能指针，在Child中定义了一个指向Parent类型的智能指针

在main函数中，定义分别定义Parent和Child类型的指针，让它们内部的指针互相指向

这样就产生了循环引用的现象

编译报错，这是由于未前置声明Child类，Parent类中找不到Child

加上前置声明

重新编译运行结果如下：发现两个类只构造了，没有析构释放，导致了内存泄漏

通过VS2022调试可以发现，两个main中的智能指针在循环引用后，引用计数都变成了2。在程序运行结束时，main中的两个智能指针释放了之后，引用计数减1后变为1，大于0；而两个在类中定义的智能指针，由于它们属于类中的属性，它们必须在析构函数被调用了才能释放，而程序结束引用计数不为0，也就无法调用析构函数。因此这样就导致了内存泄漏。

以图示说明如下：

解决方法：我们将类中的两个指针随便一个改为weak_ptr

如图，我修改的是Parent中的指针，运行发现两个对象空间可以被正常释放

分析：由于Parent类中的是weak_ptr，因此执行完p->c = cc;cc->p = pp;后，cc的强引用计数不变，仍为1，pp的强引用计数为2；当main中的return 0;执行完之后，局部变量释放，pp引用计数变成1，cc引用计数变为0，从而会调用Child的析构函数，将Child类中的shared_ptrp释放，因此pp的引用计数也变为0，最终调用Parent的析构函数，将全部空间释放掉。