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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）

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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:1shared_ptr<Child>cc(new Child());//cc:1//循环引用pp->c = cc;//cc:1 pp:1cc->p = pp;//pp:2 cc:1cout << 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。

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）

我们在类中定义了一个函数，用于返回当前对象的地址，其中this指针使用shared_ptr进行包装。

在main中实例化一个对象，并用一个智能指针来获取对象地址。

发现报错：段错误，局部对象被释放了两次

这是由于a是局部对象，它在程序运行结束的时候会自己调用析构函数进行释放，而temp是指向这个局部变量的智能指针，它在程序结束的时候会再次释放局部变量，因此导致了空间被释放两次，产生了段错误。与下图情况一模一样

同样使用智能指针接收对象的this指针也不行

解决方法：

通过裸指针申请空间的方法，实例化对象，然后再用智能指针接收对象返回值

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）

继续以上面的class A为例，通过智能指针实例化从堆区new出来的对象，通过智能指针接收对象的this指针，也会导致空间被释放两次

解决方法：

针对通过智能指针实例化从堆区new出来的对象，通过智能指针接收对象的地址。而对于任何局部变量此方法无效（我们也可以使用上面的方法，直接使用裸指针从堆区实例化对象）

我们需要继承一个模板类enable_shared_from_this，并将要返回的this指针改为shared_from_this()，此方法可以返回可共享的this指针

运行结果：