6.7、std::weak_ptr（解决循环引用）

什么是std::weak_ptr？为啥要用它？

std::weak_ptr是C++11引入的一种智能指针，专门用来解决std::shared_ptr的循环引用问题。啥是循环引用？简单来说，就是两个对象互相持有对方的std::shared_ptr，结果谁也释放不了，内存泄漏就这么发生了。想象一下，两个人在互相拉着手，谁也不肯先松开，最后都动弹不得--这就是循环引用的尴尬。

std::weak_ptr的牛掰之处在于，它是一个“弱引用”。啥意思？它能“看”到对象，但不“拥有”对象，也就是说，它不会增加对象的引用计数。这样，当其他std::shared_ptr都释放了，对象就能正常销毁，而std::weak_ptr也不会拦着。这种“只看不碰”的特性，完美打破了循环引用的死结。

举个例子：假设你有两个类A和B，A持有一个B的std::shared_ptr，B也持有一个A的std::shared_ptr。如果都用std::shared_ptr，引用计数永远不会归零，内存就泄漏了。但如果把B对A的引用改成std::weak_ptr，问题就解决了--B只是观察A，不影响A的生命周期，A可以正常释放，B随后也能被清理。

深入案例：设计一个“家庭关系”模型

为了让你真正搞懂std::weak_ptr的用法和底层机制，我设计了一个有深度的案例--模拟家庭关系中的父母和孩子。咱们通过代码一步步分析，看看循环引用是怎么产生的，又是怎么被std::weak_ptr解决的。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

class Child;

class Parent {
public:
    std::shared_ptr<Child> child; // 父母强引用孩子
    std::string name;
    Parent(const std::string& n) : name(n) {
        std::cout << name << " 创建了\n";
    }
    ~Parent() {
        std::cout << name << " 被销毁\n";
    }
};

class Child {
public:
    std::weak_ptr<Parent> parent; // 孩子弱引用父母
    std::string name;
    Child(const std::string& n) : name(n) {
        std::cout << name << " 创建了\n";
    }
    ~Child() {
        std::cout << name << " 被销毁\n";
    }
    void checkParent() {
        if (auto p = parent.lock()) { // 尝试将weak_ptr提升为shared_ptr
            std::cout << name << " 的父母是 " << p->name << "\n";
        } else {
            std::cout << name << " 的父母已经不在了\n";
        }
    }
};

int main() {
    auto parent = std::make_shared<Parent>("张爸");
    auto child = std::make_shared<Child>("小明");
    parent->child = child; // 父母强引用孩子
    child->parent = parent; // 孩子弱引用父母
    child->checkParent(); // 检查父母是否还在
    return 0;
}

案例解析：底层细节

• • 关系设计：在这个案例中，Parent类通过std::shared_ptr强引用Child，表示父母对孩子的“拥有”关系，决定了孩子的生命周期。而Child类通过std::weak_ptr弱引用Parent，表示孩子只是“观察”父母，不影响父母的生命周期。这种设计符合现实逻辑：父母没了，孩子还能继续存在，但反过来不行。
• • 引用计数机制：当main函数结束时，parent（std::shared_ptr）的引用计数变为0，Parent对象被销毁。此时，尽管Child对象中有一个std::weak_ptr指向Parent，但因为std::weak_ptr不增加引用计数，所以不会阻止Parent的销毁。随后，child（std::shared_ptr）的引用计数也变为0，Child对象被销毁。整个过程没有内存泄漏。
• • lock()的使用：在Child类的checkParent方法中，我们用parent.lock()尝试将std::weak_ptr提升为std::shared_ptr。如果Parent对象还存在，lock()返回一个有效的std::shared_ptr，我们可以安全访问它；如果Parent对象已被销毁，lock()返回空指针，避免了非法访问。这体现了std::weak_ptr的安全性。
• • 控制块的共享：从底层看，std::weak_ptr和std::shared_ptr共享同一个控制块（control block），里面存储着强引用计数和弱引用计数。std::weak_ptr只增加弱引用计数，不影响强引用计数。当强引用计数为0时，对象被销毁，但控制块可能还存在（只要弱引用计数不为0），这样std::weak_ptr就能通过expired()或lock()检测对象是否已销毁。

运行这段代码，你会看到Parent和Child对象都被正常创建和销毁，没有内存泄漏。这就是std::weak_ptr的魅力所在。

常见错误使用：别踩这些坑！

虽然std::weak_ptr很强大，但用不好也容易出问题。以下是两个常见的错误，学习时一定要注意：

• • 直接解引用lock()返回值：std::weak_ptr的lock()方法返回一个std::shared_ptr，但如果对象已经被销毁，返回值是空指针。如果不检查就直接解引用，会导致程序崩溃。正确做法是先用if (auto sp = wp.lock())判断是否有效。
• • 误以为std::weak_ptr能完全杜绝内存泄漏：std::weak_ptr只能解决编译期可预见的循环引用。如果程序运行时动态形成了循环引用（比如通过容器或复杂指针关系），std::weak_ptr也无能为力。内存管理始终需要程序员的谨慎设计。

面试中可能遇到的问题

在C++面试中，std::weak_ptr是一个高频考点，考官往往会从原理和应用场景入手。以下是两个典型问题及解答思路：

• • 问题1：std::weak_ptr和std::shared_ptr的区别是什么？
  回答时要抓住核心：std::shared_ptr是强引用，增加引用计数，影响对象生命周期；std::weak_ptr是弱引用，不增加引用计数，仅用于观察对象状态，常用于打破循环引用。还可以补充lock()和expired()的使用场景，体现对细节的掌握。
• • 问题2：设计一个场景，使用std::weak_ptr解决循环引用问题。
  可以参考我上面的“家庭关系”案例，说明为啥用std::shared_ptr会导致循环引用，以及如何用std::weak_ptr打破循环。同时，强调设计时要明确“拥有”和“观察”的关系，避免盲目使用智能指针。

总结

std::weak_ptr是C++11智能指针家族中一个低调但强大的工具。它通过弱引用机制，解决了std::shared_ptr的循环引用问题，同时提供了安全观察对象状态的能力。通过“家庭关系”案例，我们深入理解了它的底层原理和使用方法；通过常见错误和面试问题的分析，我们也看到了它的使用注意事项和考察重点。希望这篇文章能让你对std::weak_ptr有一个全面而深刻的认识，在实际编码中灵活运用，避免内存管理的陷阱。
本文首发于【讳疾忌医-note】公众号，未经授权，不得转载。
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