c++ shared_ptr的错误用法之cycle引用

本文探讨了在C++中使用shared_ptr时可能出现的循环引用问题,并提供了解决方案,即利用weak_ptr来打破循环引用,确保内存资源能够被正确回收。
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>

using namespace std;

class Person
{
public:
    string name;
    shared_ptr<Person> monther;
    shared_ptr<Person> father;
    vector<shared_ptr<Person>> kids;
public:
    Person(const string& n,shared_ptr<Person> m = nullptr,shared_ptr<Person> f = nullptr):name(n),monther(m),father(f)
    {}
    ~Person()
    {
        cout << "delete " << name << endl;
        system("pause");
    }
};
shared_ptr<Person> initFamily(const string& name)
{
    shared_ptr<Person> mom(new Person(name + "'s monther"));
    shared_ptr<Person> dad(new Person(name + "'s father"));
    shared_ptr<Person> kid(new Person(name, mom, dad));
    mom->kids.push_back(kid);//++use_count;
    dad->kids.push_back(kid);//++use_count;
    return kid; //++use_count;
}//--use_count;
int main()
{
    shared_ptr<Person> kid = initFamily("Marco");//++use_count;
    cout << kid.use_count() << endl;
    //因shared_ptr形成cycle无法释放,故无法调用析构函数
    //下面的system("pause")则必须有,否则会一闪而过
    system("pause");
    return 0;
}

//解决办法:使用weak_ptr

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

class Person
{
public:
    string name;
    shared_ptr<Person> monther;
    shared_ptr<Person> father;
    vector<weak_ptr<Person>> kids;
public:
    Person(const string& n, shared_ptr<Person> m = nullptr, shared_ptr<Person> f = nullptr):name(n),monther(m),father(f)
    {

    }
    ~Person()
    {
        cout << "detele " << name << endl;
    }
};
shared_ptr<Person> initFamily(const string& name)
{
    shared_ptr<Person> mom(new Person(name + "'s monther"));
    shared_ptr<Person> dad(new Person(name + "'s father"));
    shared_ptr<Person> kid(new Person(name, mom, dad));
    weak_ptr<Person> w_kid(kid);
    mom->kids.push_back(w_kid);
    dad->kids.push_back(w_kid);
    return kid;
}
int main()
{
    shared_ptr<Person> p = initFamily("Marco");
    cout << p.use_count() << endl;
    cout << "the kid is " << p->name << endl;
    cout << "the kid's monther " << p->monther->name << endl;
    cout << "the kid's father " << p->father->name << endl;
    for (auto &v : p->monther->kids)
        if (!v.expired())
            cout << v.lock()->name << endl;
    //析构函数会调用,则下面system("pause")不需要添加
    //另外通过命令行编译更直观
    //system("pause");
    return 0;
}
### C++ `weak_ptr` 弱引用计数控制块的实现原理 #### 背景介绍 在C++标准库中,`std::shared_ptr` 和 `std::weak_ptr` 是两种常用的智能指针类型。其中,`shared_ptr` 使用引用计数来管理动态分配的对象生命周期,而 `weak_ptr` 则提供了一种不会影响对象生存期的方式观察由 `shared_ptr` 管理的对象。 `weak_ptr` 不直接拥有对象的所有权,因此它不会增加对象的强引用计数(strong reference count)。相反,`weak_ptr` 维护了一个弱引用计数(weak reference count),用于跟踪有多少个 `weak_ptr` 正在观察该对象[^3]。 --- #### 控制块的作用与结构 `shared_ptr` 和 `weak_ptr` 都依赖于一个共同的数据结构——**控制块(control block)**。控制块是一个内部数据结构,通常包含以下几个部分: 1. **强引用计数(Strong Reference Count)**: 记录当前有多少个 `shared_ptr` 拥有对该对象的所有权。 2. **弱引用计数(Weak Reference Count)**: 记录当前有多少个 `weak_ptr` 或其他关联实体正在观察该对象。 3. **指向托管对象的指针**: 存储实际被管理的对象地址。 当创建一个新的 `shared_ptr` 时,控制块会被初始化并设置初始的强引用计数为 1;每新增一个 `shared_ptr` 复制品,则强引用计数加 1。同样地,每当创建或拷贝一个 `weak_ptr` 时,弱引用计数也会相应增加[^1]。 --- #### `weak_ptr` 的工作流程 以下是 `weak_ptr` 在其生命周期内的主要操作及其对控制块的影响: 1. **构造阶段** 当通过现有的 `shared_ptr` 创建一个 `weak_ptr` 时,新的 `weak_ptr` 将共享同一个控制块,并使弱引用计数加 1。这表明又有一个外部实体开始关注此对象的状态。 2. **析构阶段** 当某个 `weak_ptr` 被销毁时,对应的弱引用计数减 1。如果此时弱引用计数变为 0 并且强引用计数也为 0,则可以安全释放整个控制块以及底层资源。 3. **锁定机制 (`lock()` 方法)** 如果调用了 `weak_ptr::lock()` 方法尝试获取一个有效的 `shared_ptr`,则只有在其所监控的目标仍然存活的情况下才能成功返回一个新构建的 `shared_ptr` 对象。否则将得到一个空的 `shared_ptr` 实例。在此过程中,若目标确实存在,则临时提升弱引用至强引用状态直到锁住结束为止[^2]。 --- #### 关键代码示例 下面展示如何利用 `weak_ptr` 来避免循环引用问题的一个简单例子: ```cpp #include <iostream> #include <memory> class Node { public: std::shared_ptr<Node> next; }; int main() { auto node1 = std::make_shared<Node>(); auto node2 = std::make_shared<Node>(); // 导致潜在循环引用的情况 node1->next = node2; node2->next = node1; // 解决方案:使用 weak_ptr 替代其中一个 shared_ptr node2->next.reset(); // 清除之前的链接 node2->next = std::weak_ptr<Node>(node1); std::cout << (node1.use_count() == 1 ? "No cycle!" : "Cycle detected!") << std::endl; return 0; } ``` 上述程序展示了如何借助 `weak_ptr` 打破可能形成的内存泄漏风险链路。 --- #### 总结 综上所述,`weak_ptr` 的核心功能在于维护一种松散的关系形式,既能够感知到某特定实例的存在与否,同时又不影响后者的真实生命期限定条件。这种特性使得它可以有效应对诸如图形节点间相互连接之类的复杂场景下的资源泄露隐患。
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