条款20：当 std::shared_ptr 可能悬空时使用 std::weak_ptr

条款20：当 std::shared_ptr 可能悬空时使用 std::weak_ptr

核心思想

• std::weak_ptr 是一个非拥有型（non-owning）智能指针，
  它指向 std::shared_ptr 所管理的对象，但不增加引用计数。
• std::weak_ptr 可以在对象被销毁时检测出自己是否悬空（expired）。

设计动机

• 有时候想引用一个对象，但不想拥有它的生命周期。
• std::shared_ptr 循环引用（互相持有）会导致内存泄露。
• 原始指针无法检测是否悬空，存在未定义行为的风险。

基本用法

auto sp = std::make_shared<Widget>(); // 创建 shared_ptr，引用计数（strong count）为1
std::weak_ptr<Widget> wp(sp);         // 创建 weak_ptr，引用计数不变（仍为1），weak count +1

if (!wp.expired()) {                  // 判断 weak_ptr 是否指向已销毁对象（非原子操作，存在竞态风险）
    auto sp2 = wp.lock();             // 原子操作：尝试获取 shared_ptr，若成功，strong count +1
    if (sp2) {                       // 如果 lock 成功，即对象仍存在
        // 使用 sp2 访问 Widget，确保对象在此作用域内存活
    }
}

• wp.lock()：尝试获取 shared_ptr，失败则返回空。

• std::shared_ptr<T> sp(wp);：另一种构造方式，wp过期则抛出 std::bad_weak_ptr 异常。

适用场景

缓存系统

假设有一个比较昂贵的加载函数 loadWidget，它返回一个 std::shared_ptr<const Widget>：

// 模拟昂贵的加载操作
std::shared_ptr<const Widget> loadWidget(WidgetID id) {
    // 比如从文件、数据库加载数据，构造 Widget 对象
    return std::make_shared<const Widget>(/* ... */);
}

我们想写一个“快速加载”的函数 fastLoadWidget，它带缓存：

std::shared_ptr<const Widget> fastLoadWidget(WidgetID id) {
    // 缓存：key 是 WidgetID，value 是 weak_ptr，不增加对象引用计数
    static std::unordered_map<WidgetID, std::weak_ptr<const Widget>> cache;

    // 尝试从缓存获取 shared_ptr（会尝试提升 weak_ptr）
    auto cachedPtr = cache[id].lock();

    if (!cachedPtr) { // 如果缓存不存在或已经过期（对象被销毁）
        // 调用真正的加载函数
        cachedPtr = loadWidget(id);

        // 缓存最新的 weak_ptr，不增加引用计数
        cache[id] = cachedPtr;
    }

    // 返回 shared_ptr，调用者获得对象所有权（引用计数+1）
    return cachedPtr;
}

说明：

• 缓存存储 std::weak_ptr：

  • std::shared_ptr 拥有对象的所有权，会增加引用计数，延长对象生命周期。 如果缓存存的是 shared_ptr，即使程序里其他地方都不再用这个对象，缓存里还持有一个 shared_ptr， 对象的引用计数不会归零，导致对象一直不会被销毁，造成内存泄漏。

  • 而 std::weak_ptr 不拥有对象所有权，不增加引用计数，缓存存它只“观察”对象是否存在。当所有真正持有对象的 shared_ptr 都销毁后，对象被释放，缓存中的 weak_ptr 就变成“过期”状态（expired）。

• std::weak_ptr 有接受对应 std::shared_ptr 的构造函数和赋值操作符

  • std::weak_ptr<T> 是专门为与 std::shared_ptr<T> 配合设计的，
  • 它有一个 构造函数 和 赋值运算符，可以接受 std::shared_ptr<T> 类型，
  • 并从中构造对应的 weak_ptr（指向相同对象，但不增加引用计数）。

• 调用 lock() 尝试获取 shared_ptr：
  若对象存在，返回有效的 shared_ptr，引用计数+1。若对象已销毁，返回空指针。

• 若缓存失效，重新加载并缓存最新 weak_ptr：
  新对象的生命周期由调用者通过 shared_ptr 管理。

• 当所有 shared_ptr 都析构时，对象释放，缓存的 weak_ptr 过期。

优点：

• 避免重复加载耗时资源。
• 对象生命周期由 shared_ptr 自动管理，缓存不会导致内存泄漏。
• 访问缓存时能自动感知对象是否仍然有效。

观察者模式

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

class Observer {
public:
    virtual ~Observer() = default;
    virtual void onNotify(int data) = 0;
};

class Subject {
    // 用 weak_ptr 存储观察者，避免拥有它们的生命周期
    std::vector<std::weak_ptr<Observer>> observers_;

public:
    void addObserver(std::shared_ptr<Observer> obs) {
        observers_.push_back(obs);
    }

    void notify(int data) {
        // 遍历所有观察者，尝试提升 weak_ptr
        for (auto it = observers_.begin(); it != observers_.end(); ) {
            if (auto obs = it->lock()) {
                obs->onNotify(data);  // 有效观察者，调用通知
                ++it;
            } else {
                // 观察者已销毁，移除过期的 weak_ptr
                it = observers_.erase(it);
            }
        }
    }
};

// 具体观察者实现
class ConcreteObserver : public Observer, public std::enable_shared_from_this<ConcreteObserver> {
public:
    void onNotify(int data) override {
        std::cout << "Observer notified with data: " << data << "\n";
    }
};

int main() {
    Subject subject;

    {
        auto obs1 = std::make_shared<ConcreteObserver>();
        subject.addObserver(obs1);

        subject.notify(42);  // 通知，有效观察者会收到
    } // obs1 作用域结束，析构，观察者销毁

    subject.notify(100); // 此时观察者已销毁，通知时会跳过并清理过期 weak_ptr

    return 0;
}

• Subject 持有 std::weak_ptr<Observer>，不影响 Observer 生命周期。
• notify() 时通过 lock() 提升为 shared_ptr，确保访问安全。
  • 当需要调用观察者方法（如 onNotify）时，不能直接用 weak_ptr，因为它可能指向已经被销毁的对象（悬空）。
  • 如果观察者对象还存在，lock() 返回有效的 shared_ptr，这时引用计数+1，保证对象在这段代码里不被销毁。
• 如果观察者已销毁，lock() 返回空指针，Subject 会移除过期的观察者指针。
• 这样既避免了悬空访问，也避免了循环引用导致内存泄漏。

打破循环引用

场景：A ↔ B，A 持有 B，B 弱引用 A

#include <iostream>
#include <memory>

struct B; // 前置声明

struct A {
    std::shared_ptr<B> b_ptr;  // 拥有B的所有权
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};

struct B {
    std::weak_ptr<A> a_ptr;    // 弱引用A，避免循环引用
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};

int main() {
    {
        auto a = std::make_shared<A>();
        auto b = std::make_shared<B>();

        a->b_ptr = b;    // A拥有B
        b->a_ptr = a;    // B弱引用A，不增加引用计数

        // 两个对象相互关联，但不会循环引用导致泄漏
    } // 作用域结束，a和b都正确销毁

    return 0;
}

如果用 shared_ptr 循环引用（错误示范）

struct B {
    std::shared_ptr<A> a_ptr; // 强引用A，循环引用
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};

• 这会导致 A 和 B 互相持有强引用，引用计数都不为零，

• 即使超出作用域，析构函数也不会被调用，造成内存泄漏。

结论

• 用 weak_ptr 替代其中一个方向的 shared_ptr，打破循环引用。
• 这样，资源才能被正确释放，不会泄漏。

注意事项

• std::weak_ptr 不是“弱化版” shared_ptr，而是用于观察（observe）资源而非管理资源。
• expired() 检查非原子，只应与 lock() 搭配使用。
• weak_ptr 本身也增加控制块的“弱引用计数”，管理其自身生命周期。

总结

• 用 weak_ptr 替代可能悬空的 shared_ptr。

• 典型应用：缓存、观察者列表、打破 shared_ptr 循环引用。

• 用 lock() 原子地检测有效性并获取 shared_ptr。