C++ - 强引用和弱引用

原来，我认为“为什么会有引用计数这样的技术”是为了内存自动回收和节省内存，但是读完下面的几节后，内存自动回收是一个原因，但是节省内存并不是真正的原因，真正的原因是有些对象如果被复制在现实中是不合事实的。

为什么有引用计数

    C++中存在两种语义：值语义（value sematics）和对象语义（object sematic），对象语义也可以叫做引用语义（reference sematics）。
值语义，指的是对象的拷贝与原对象无关，就像拷贝int一样，C++的常用类型数据等都是值语义。
对象语义，指的是面向对象意义下的对象，是禁止拷贝的。

    在设计一个类的时候该类是否可以被拷贝（即具备拷贝构造函数），取决于拷贝后的语义是否成立，比如一个Thread类，拷贝后系统中并不会启动另外一个线程，所以拷贝是禁止的。同样类似于Employee雇员类也是。

    这么设计起码有两个好处：

    1. 语义合理，有些对象复制是不符合常理的

    2. 节省内存

强引用

当对象被创建时，计数为1；每创建一个变量引用该对象时，该对象的计数就增加1；当上述变量销毁时，对象的计数减1，当计数为0时，这个对象也就被析构了。

强引用计数在很多种情况下都是可以正常工作的，但是也有不凑效的时候，当出现循环引用时，就会出现严重的问题，以至于出现内存泄露，如下代码：

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>

class parent;
class children;

typedef boost::shared_ptr<parent> parent_ptr;
typedef boost::shared_ptr<children> children_ptr;

class parent
{
public:
    ~parent() { std::cout <<"destroying parent\n"; }

public:
    children_ptr children;
};

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

public:
    parent_ptr parent;
};

void test()
{
    parent_ptr father(new parent());
    children_ptr son(new children);

    father->children = son;
    son->parent = father;
}

void main()
{
    std::cout<<"begin test...\n";
    test();
    std::cout<<"end test.\n";
}

运行该程序可以看到，即使退出了test函数后，由于parent和children对象互相引用，它们的引用计数都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了c++中那臭名昭著的内存泄漏。

一般来讲，解除这种循环引用有下面有三种可行的方法：

1. 当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。
2. 当parent的生存期超过children的生存期的时候，children改为使用一个普通指针指向parent。
3. 使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。
虽然这三种方法都可行，但方法1和方法2都需要程序员手动控制，麻烦且容易出错。下面就介绍弱引用

弱引用

boost::weak_ptr<T>是boost提供的一个弱引用的智能指针，它的声明可以简化如下：

namespace boost {

    template<typename T> class weak_ptr {
    public:
        template <typename Y>
        weak_ptr(const shared_ptr<Y>& r);

        weak_ptr(const weak_ptr& r);

        ~weak_ptr();

        T* get() const; 
        bool expired() const; 
        shared_ptr<T> lock() const;
    }; 
}

可以看到，boost::weak_ptr必须从一个boost::share_ptr或另一个boost::weak_ptr转换而来，这也说明，进行该对象的内存管理的是那个强引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。boost::weak_ptr除了对所管理对象的基本访问功能（通过get()函数）外，还有两个常用的功能函数：expired()用于检测所管理的对象是否已经释放；lock()用于获取所管理的对象的强引用指针。

由于弱引用不更改引用计数，类似普通指针，只要把循环引用的一方使用弱引用，即可解除循环引用。对于上面的那个例子来说，只要把children的定义改为如下方式，即可解除循环引用：

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

public:
    boost::weak_ptr<parent> parent;
};

最后值得一提的是,虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用，但这种方式必须在程序员能预见会出现循环引用的情况下才能使用，也可以是说这个仅仅是一种编译期的解决方案，如果程序在运行过程中出现了循环引用，还是会造成内存泄漏的。因此，不要认为只要使用了智能指针便能杜绝内存泄漏。毕竟，对于C++来说，由于没有垃圾回收机制，内存泄漏对每一个程序员来说都是一个非常头痛的问题。