C++11 智能指针——weak_ptr详解

和 shared_ptr、unique_ptr 类型指针一样，weak_ptr 智能指针也是以模板类的方式实现的。weak_ptr<T>（ T 为指针所指数据的类型）定义在<memory>头文件，并位于 std 命名空间中。因此，要想使用 weak_ptr 类型指针，程序中应首先包含<memory>头文件。

需要注意的是，C++11标准虽然将 weak_ptr 定位为智能指针的一种，但该类型指针通常不单独使用（没有实际用处），只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用。甚至于，我们可以将 weak_ptr 类型指针视为 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的 shared_ptr 指针、shared_ptr 指针指向的堆内存是否已经被释放等等。

此外，当 weak_ptr 类型指针的指向和某一 shared_ptr 指针相同时，weak_ptr 指针并不会使所指堆内存的引用计数加 1；同样，当 weak_ptr 指针被释放时，之前所指堆内存的引用计数也不会因此而减 1。也就是说，weak_ptr 类型指针并不会影响所指堆内存空间的引用计数。

同时，weak_ptr<T> 模板类中没有重载 * 和 -> 运算符，这也就意味着，weak_ptr 类型指针只能访问所指的堆内存，而无法修改它。

一、weak_ptr的作用

weak_ptr主要针对shared_ptr的空悬指针和循环引用问题而提出：

（1）空悬指针问题：有两个指针p1和p2，指向堆上的同一个对象Object，p1和p2位于不同的线程中。假设线程A通过p1指针将对象销毁了（尽管把p1置为了NULL），那p2就成了空悬指针。

weak_ptr不控制对象的生命期，但是它知道对象是否还活着。如果对象还活着，那么它可以提升为有效的shared_ptr（提升操作通过lock()函数获取所管理对象的强引用指针）；如果对象已经死了，提升会失败，返回一个空的shared_ptr。

（2）循环引用问题：

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class Parent;
class Child; 

typedef shared_ptr<Parent> parent_ptr;
typedef shared_ptr<Child> child_ptr; 

class Parent
{
public:
       ~Parent() { 
              cout << "~Parent()" << endl; 
       }
public:
       child_ptr children;
};

class Child
{
public:
       ~Child() { 
              cout << "~Child()" << endl; 
       }
public:
       parent_ptr parent;
};

int main()
{
  parent_ptr father(new Parent);
  child_ptr son(new Child);

  // 父子互相引用
  father->children = son;
  son->parent = father;

  cout << father.use_count() << endl;  // 引用计数为2
  cout << son.use_count() << endl;     // 引用计数为2

  return 0;
}

如上代码，将在程序退出前，father的引用计数为2，son的计数也为2，退出时，shared_ptr所作操作就是简单的将计数减1，如果为0则释放，显然，这个情况下，引用计数不为0，于是造成father和son所指向的内存得不到释放，导致内存泄露。

使用weak_ptr可以打破这样的循环引用。由于弱引用不更改引用计数，类似普通指针，只要把循环引用的一方使用弱引用，即可解除循环引用。以上述代码为例，只要把Child类的代码修改为如下即可：

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

最后值得一提的是，虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用，但这种方式必须在能预见会出现循环引用的情况下才能使用，即这个仅仅是一种编译期的解决方案，如果程序在运行过程中出现了循环引用，还是会造成内存泄漏的。因此，不要认为只要使用了智能指针便能杜绝内存泄漏。

二、weak_ptr的创建

创建一个 weak_ptr 指针，有以下 3 种方式：

（1）创建一个空 weak_ptr 指针：std::weak_ptr<int> wp1;

（2）用已有的 weak_ptr 指针创建一个新的 weak_ptr 指针：weak_ptr<int> wp2 (wp1);

若 wp1 为空指针，则 wp2 也为空指针；反之，如果 wp1 指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，则 wp2 也指向该块存储空间（可以访问，但无所有权）。

（3）weak_ptr 指针更常用于指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，因为在构建 weak_ptr 指针对象时，可以利用已有的 shared_ptr 指针为其初始化。例如：

　　1）shared_ptr<int> sp (new int);

　　2）weak_ptr<int> wp3 (sp);

由此，wp3 指针和 sp 指针有相同的指针。再次强调，weak_ptr 类型指针不会导致堆内存空间的引用计数增加或减少。

三、weak_ptr模板类提供的成员方法

和 shared_ptr<T>、unique_ptr<T> 相比，weak_ptr<T> 模板类提供的成员方法不多，以下是常用的成员方法及各自的功能：

　　1）operator=()：重载 = 赋值运算符，是的 weak_ptr 指针可以直接被 weak_ptr 或者 shared_ptr 类型指针赋值。
　　2）swap(x)：其中 x 表示一个同类型的 weak_ptr 类型指针，该函数可以互换 2 个同类型 weak_ptr 指针的内容。
　　3）reset()：将当前 weak_ptr 指针置为空指针。
　　4）use_count()：查看指向和当前 weak_ptr 指针相同的 shared_ptr 指针的数量。
　　5）expired()：判断当前 weak_ptr 指针为否过期（指针为空，或者指向的堆内存已经被释放）。
　　6）lock()：如果当前 weak_ptr 已经过期，则该函数会返回一个空的 shared_ptr 指针；反之，该函数返回一个和当前 weak_ptr 指向相同的 shared_ptr 指针。