【C++入门到精通】智能指针 shared，C++入门到精通智能指针shared详解

摘要：本教程将带你从入门到精通掌握C++中的智能指针，特别是shared_ptr。我们将详细介绍shared_ptr的基本概念、优势和使用方法，包括其内存管理、生命周期和线程安全特性。通过学习本教程，你将深入了解shared_ptr如何帮助管理动态分配的内存，避免内存泄漏和野指针等问题，提高代码质量和可靠性。适合对C++感兴趣的初学者和进阶开发者。

欢迎阅读本系列文章的第二篇，我们将深入探讨与std::shared_ptr相关的主题，在上一篇文章中，我们了解了std::shared_ptr的强大功能，同时也提到了它可能面临的一个主要问题——循环引用，当两个或多个对象相互持有对方的shared_ptr引用时，就会形成循环引用，导致这些对象无法被正确释放，从而造成内存泄漏。

为了解决这个问题，C++引入了另一个智能指针类——std::weak_ptr。std::weak_ptr是std::shared_ptr的伙伴，它可以观察并引用由shared_ptr管理的对象，但不会增加对象的引用计数，从而避免了循环引用导致的内存泄漏问题。

一、std::shared_ptr的循环引用

1. 概念

循环引用是指两个或多个对象彼此持有对方的shared_ptr引用，形成一个环状的依赖关系，这种情况下，即使没有其他外部引用指向这些对象，它们的引用计数也无法归零，导致内存泄漏，因为对象的引用计数永远无法降到零，所以它们的析构函数不会被调用，资源无法正确释放。

2. 示例分析

我们来看一个存在循环引用的代码示例：

struct ListNode {
    int _data;
    shared_ptr<ListNode> _prev;
    shared_ptr<ListNode> _next;
    // ... 其他成员和函数 ...
};

在这个例子中，每个ListNode都持有一个指向前后节点的shared_ptr，这就形成了一个循环引用，因为前一个节点持有对后一个节点的引用，后一个节点又持有对前一个节点的引用，如果没有外部力量来打破这个循环，这些节点将永远不会被释放。

二、std::weak_ptr的简介和使用

1. 简介

std::weak_ptr是一个智能指针类，它可以观察并引用由shared_ptr管理的对象，但不会增加对象的引用计数，这意味着即使存在对对象的weak_ptr引用，对象仍然可以在没有其他shared_ptr引用时正常被释放。

2. weak_ptr模板类提供的成员方法

weak_ptr(): 构造函数，用于创建一个空的weak_ptr。

weak_ptr(const shared_ptr&): 接受一个shared_ptr作为参数，创建一个对相同对象的weak_ptr。

operator shared_ptr(): 将weak_ptr转换为shared_ptr，如果对象仍然存在（即未被释放），则返回一个有效的shared_ptr；否则返回一个空的shared_ptr。

lock(): 尝试将weak_ptr转换为shared_ptr，如果对象仍然存在并且可以被安全地引用，则返回一个有效的shared_ptr；否则返回一个空的shared_ptr或抛出异常。

expired(): 检查所引用的对象是否已被删除，如果对象已被删除，返回true；否则返回false。

use_count(): 返回共享对象的shared_ptr引用数量（不包括weak_ptr）。

3. 使用示例

为了解决上面提到的循环引用问题，我们可以使用weak_ptr来打破循环：

struct ListNode {
    int _data;
    weak_ptr<ListNode> _prev; // 使用weak_ptr代替shared_ptr
    shared_ptr<ListNode> _next; // 对下一个节点的shared_ptr引用仍然保留
    // ... 其他成员和函数 ...
};

通过使用weak_ptr来持有上一个节点的引用，我们打破了循环引用，即使两个节点相互持有对方的引用，当没有其他外部引用时，它们仍然可以被正确释放。

C++模拟实现和温馨提示

关于std::weak_ptr的C++模拟实现细节较为复杂，涉及到内部引用计数和锁机制等，在此不展开详细描述，温馨提示：在使用std::weak_ptr时，确保在适当的时候使用lock()方法将其转换为shared_ptr，以避免悬空指针和未定义行为，注意管理weak_ptr的生命周期，确保在不再需要观察对象时及时销毁weak_ptr，这样可以避免潜在的内存泄漏和错误。