深入理解 C++ weak_ptr

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weak_ptr 是什么？

std::weak_ptr是C++11引入的一种智能指针，主要与std::shared_ptr配合使用。

它的主要作用是解决循环引用问题、观察std::shared_ptr对象而不影响引用计数，以及在需要时提供对底层资源的访问。

1. 解决循环引用问题：当两个或多个std::shared_ptr对象互相引用时，会导致循环引用。这种情况下，这些对象的引用计数永远不会变为0，从而导致内存泄漏。

std::weak_ptr可以打破这种循环引用，因为它不会增加引用计数。只需要将其中一个对象的std::shared_ptr替换为std::weak_ptr，即可解决循环引用问题。

2. 观察std::shared_ptr对象：std::weak_ptr可以用作观察者，监视std::shared_ptr对象的生命周期。它不会增加引用计数，因此不会影响资源的释放。

深入理解weak_ptr: 资源所有权问题

看到一篇对于 weak_ptr 讲解非常棒的文章，转到这里分享给大家:

原文链接： https://0cch.com/2022/10/31/some-tips-about-weakptr/ 作者：0cch

虽然智能指针进入C++11标准库已经有十多年了，但是我们对部分细节的理解还是比较局限。

以std::weak_ptr为例，很多人的理解只是停留在避免std::shared_ptr出现相互引用，导致对象无法析构，内存无法释放的问题。

当然，并不是说这种用法有什么不对，恰恰相反，它是一个非常经典的使用场景。

但是std::weak_ptr的使用场景或者说它诞生的理念却不仅仅是这些，如果没有更加透彻理解std::weak_ptr，也很难合理的使用std::shared_ptr。

std::weak_ptr从概念上，它是一个智能指针，相对于std::shared_ptr，它对于引用的对象是“弱引用”的关系。

简单来说，它并不“拥有”对象本身。

如果我们去类比生活中的场景，那么它可以是一个房地产中介。房地产中介并不拥有房子，但是我们有办法找到注册过的房产资源。

在客户想要买房子的时候，它起初并不知道房子是否已经卖出了，它需要找到房主询问后再答复客户。

std::weak_ptr做的事情几乎和房产中介是一模一样的。std::weak_ptr并不拥有对象，在另外一个std::shared_ptr想要拥有对象的时候，它并不能做决定，需要转化到一个std::shared_ptr后才能使用对象。所以std::weak_ptr只是一个“引路人”而已。

说了这么多，那么std::weak_ptr除了解决相互引用的问题，还能做什么？

答案是：一切应该不具有对象所有权，又想安全访问对象的情况。

还是以互相引用的情况为例，通常的场景是：一个公司类可以拥有员工，那么这些员工就使用std::shared_ptr维护。另外有时候我们希望员工也能找到他的公司，所以也是用std::shared_ptr维护，这个时候问题就出来了。但是实际情况是，员工并不拥有公司，所以应该用std::weak_ptr来维护对公司的指针。

再举一个例子：我们要使用异步方式执行一系列的Task，并且Task执行完毕后获取最后的结果。所以发起Task的一方和异步执行Task的一方都需要拥有Task。

但是有时候，我们还想去了解一个Task的执行状态，比如每10秒看看进度如何，这种时候也许我们会将Task放到一个链表中做监控。这里需要注意的是，这个监控链表并不应该拥有Task本身，放到链表中的Task的生命周期不应该被一个观察者修改。所以这个时候就需要用到std::weak_ptr来安全的访问Task对象了。

最后再来聊一个新手使用std::weak_ptr容易被坑的地方：对象资源竞争。

以下代码在多线程程序中是存在很大风险的，因为wp.expired()和wp.lock()运行的期间对象可能被释放：

/ std::weak_ptr<SomeClass> wp{ sp };

if (!wp.expired()) {
    wp.lock()->DoSomething();
}

正确的做法是：

auto sp = wp.lock();
if (sp) {
    sp->DoSomething();
}

std::weak_ptr的lock函数是一个原子操作。有趣的是，最开始的C++11标准是没有提到原子操作的，C++14标准才对这一点进行了补充，详细过程可以参考提案文档：LWG2316 (opens new window)。