深入学习c++--智能指针 weak_ptr（打破shared_ptr循环引用）

Posted 2021-11-26 douzujun

1. 几种智能指针

1. auto_ptr: c++11中推荐不使用他(放弃)

2. shared_ptr: 每添加一次引用 就+1，减少一次引用，就-1；做到指针进行共享

3. unique_ptr: 一个指针同时只能有一个使用者使用

4. weaked_ptr: 与shared_ptr搭配使用

1.1 weak_ptr

参考：https://zh.cppreference.com/w/cpp/memory/weak_ptr

• std::weak_ptr 是一种智能指针，它对被 std::shared_ptr 管理的对象存在 非拥有性（“弱”）引用。在访问所引用的对象前必须 先转换为 std::shared_ptr。

• std::weak_ptr 用来 表达临时所有权的概念：

  • 当某个对象只有存在时才需要被访问，而且随时可能被他人删除时，可以使用 std::weak_ptr 来跟踪该对象。

  • 需要获得临时所有权时，则将其转换为 std::shared_ptr，此时如果原来的 std::shared_ptr被销毁，则该对象的生命期将被延长至这个临时的 std::shared_ptr 同样被销毁为止。

• std::weak_ptr 的另一用法是：打断 std::shared_ptr 所管理的对象组成的环状引用。(打破shared_ptr的循环引用)
  

• 若这种环被孤立（例如无指向环中的外部共享指针），则 shared_ptr 引用计数无法抵达零，而内存被泄露。

• 能令环中的指针之一为弱指针以避免此情况。

循环引用的问题：该被调用的析构函数没有被调用

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
 
class Parent;
typedef std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;

class Child
{
public:
    ParentPtr father;
    Child() {
        cout << "hello Child" << endl;
    }
    ~Child() {
        cout << "bye Child\\n";
    }
};

typedef std::shared_ptr<Child> ChildPtr;

class Parent {
public:
    ChildPtr son;
    Parent() {
        cout << "hello parent\\n";
    }
    ~Parent() {
        cout << "bye Parent\\n";
    }
};

void testParentAndChild()
{
    ParentPtr p(new Parent());
    ChildPtr c(new Child());
    p->son = c;
    c->father = p; 
}

int main()
{
    testParentAndChild();
    return 0;
}

问题：c只有调用p的析构的时候，才能被释放。p只有调用c的析构的时候，才能被释放。。形成了循环引用，造成了内存泄露

因此，引入新的智能指针，weak_ptr

1.2 weak_ptr基本用法

一旦外部指向shared_ptr资源失效，那么weak_ptr管理的资源自动失效 

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <memory>
using namespace std;
 
class Object
{
public:
    Object(int id) : m_id(id) {
        std::cout << "init obj " << m_id << std::endl;
    }    
    ~Object() {
        std::cout << "bye bye " << m_id << std::endl;
    }
    int id() const {
        return m_id;
    }
private:
    int m_id;
};


void sharedPtrWithWeakPtr()
{
    typedef std::shared_ptr<Object> ObjectPtr;
    typedef weak_ptr<Object> WeakObjectPtr;
    
    ObjectPtr obj(new Object(1));
    
    // 一旦外部指向shared_ptr资源失效，那么weak_ptr管理的资源自动失效 
    
    WeakObjectPtr weakObj2;           // 裸指针 
    WeakObjectPtr weakObj(obj);       // 指向shared_ptr指针 
    WeakObjectPtr weakObj3(obj);   
    cout << "obj use count is " << obj.use_count() << endl;   // 1--尽管weak_ptr也指向obj，但他只是监听者，本身并不影响引用计数次数 
    {
        // weak_ptr使用方法 
        // 外部至少还有一个shared_ptr来管理资源，同时p自己本身的资源 -- p.use_count >= 2 
        auto p = weakObj.lock();         // auto == ObjectPtr
        if (p) {
            cout << p.unique() << endl;  // 0 -- p.use_count() >= 2
        }
        else {
        }
    }
    // 不指向某份资源 
//    obj.reset();
//    {
//        auto p = weakObj.lock();      // auto == ObjectPtr
//        if (p) {
//            assert(false);
//        } 
//        else {
//            cout << "null" << endl;   // 如果调用reset，就会执行这句话 
//        }
//    } 
    
    // 此时, Object(1)已经失效 
    obj.reset(new Object(2)) ;
    {
        auto p = weakObj.lock();       // 返回值如果有效, 在外部必须有weakObj指向同一个资源 
        if (p) {
            assert(false);
        }
        else {
            cout << "null " << endl;   // null
        }
    }
    
    weakObj = obj;    // 又有效了 
    // 想知道weak_ptr有没有管理一份资源(外部有没有资源), 又不想生成一个shared_ptr
    if (weakObj.expired()) {
        // 资源过期了 -- true 
        cout << "no ptr" << endl;
    }
    else {
        cout << "have resource\\n";
    }
}

int main()
{
    
    sharedPtrWithWeakPtr();
    return 0;

}

1.3 解决类之间循环引用

一旦外部指向shared_ptr资源失效，那么weak_ptr管理的资源自动失效 

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <memory>
using namespace std;
 
class Parent;
typedef std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
typedef std::weak_ptr<Parent> WeakParentPtr;

class Child
{
public:
    WeakParentPtr father;                 // 只有一环换成 weak_ptr, 即可打破环 
    Child() {
        cout << "hello Child" << endl;
    }
    ~Child() {
        cout << "bye Child\\n";
    }
};
 
typedef std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
typedef std::weak_ptr<Child> WeakChildPtr;

class Parent {
public:
    ChildPtr son;                 
    Parent() {
        cout << "hello parent\\n";
    }
    ~Parent() {
        cout << "bye Parent\\n";
    }
};


void testParentAndChild()
{
    ParentPtr p(new Parent());
    ChildPtr c(new Child());
    p->son = c;            
    c->father = p;        
    cout << (c->father).use_count() << endl;
    cout << (p->son).use_count() << endl;
}

int main()
{
    testParentAndChild();
    return 0;
}

析构函数成功调用， 注意析构顺序，谁是weak_ptr对象，就先析构谁。

1.4 用 enable_shared_from_this从this转换到shared_ptr

• 类中函数接口需要一个本对象智能指针的const引用 (如何生成本对象的智能指针)

• 用 enable_shared_from_this从this转换到shared_ptr  (使用CRTP来使用 本对象的智能指针)

主要代码:

handleChildAndParent(shared_from_this(), ps);

完整代码:

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <memory>
using namespace std;
 
class Parent;
typedef std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
typedef std::weak_ptr<Parent> WeakParentPtr;
 
class Child : public std::enable_shared_from_this<Child>  // 奇异模板参数 CRTP
{
public:
    WeakParentPtr father;                 // 只有一环换成 weak_ptr, 即可打破环 
    Child() {
        cout << "hello Child" << endl;
    }
    ~Child() {
        cout << "bye Child\\n";
    }
    void CheckRelation() {
        
    }
};
 
typedef std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
typedef std::weak_ptr<Child> WeakChildPtr;

void handleChildAndParent(const ParentPtr& p, const ChildPtr& c);

class Parent : public enable_shared_from_this<Parent> {
public:
    WeakChildPtr son;                 
    Parent() {
        cout << "hello parent\\n";
    }
    ~Parent() {
        cout << "bye Parent\\n";
    }
    void CheckRelation() {
        auto ps = son.lock();
        if (ps) {
            //原理: 类中存在weak_ptr指针，通过一系列方式转换成 shared_ptr，然后传参 
            handleChildAndParent(shared_from_this(), ps);    // 使用CRTP来使用 本对象的指针 ★ ★ ★ ★ 
        }
        cout << "after call checkRelation\\n";
    }
};

void testParentAndChild()
{
    ParentPtr p(new Parent());
    ChildPtr c(new Child());
    p->son = c;            
    c->father = p;        
    cout << (c->father).use_count() << endl;
    cout << (p->son).use_count() << endl;
    
    p->CheckRelation();
}

void handleChildAndParentRef(const Parent& p, const Child& c)
{
    auto cp = c.father.lock();
    auto pc = p.son.lock();
    if (cp.get() == &p && pc.get() == &c) 
    {
        cout << "right relation" << endl;
    }
    else {
        cout << "oop !!!\\n";
    }
}

// const xxx&: 减少拷贝次数 
void handleChildAndParent(const ParentPtr& p, const ChildPtr& c)
{
    auto cp = c->father.lock();
    auto pc = p->son.lock();
    if (cp == p && pc == c)
    {
        cout << "right relation\\n";
    }
    else {
        cout << "oop!!!\\n";
    }
}

int main()
{
    testParentAndChild();
    return 0;
}