shared_ptr和 weak_ptr的详细介绍

关于 shared_ptr 和 weak_ptr 的详细介绍及使用示例：

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1. shared_ptr（共享所有权智能指针）

核心特性

• 引用计数：记录当前有多少个 shared_ptr 共享同一个对象。
• 自动释放：当引用计数归零时，自动释放对象内存。
• 线程安全：引用计数的增减是原子操作（但对象本身的访问需自行同步）。

基本用法

#include <memory>
#include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass 构造\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass 析构\n"; }
    void print() { std::cout << "Hello\n"; }
};

int main() {
    // 创建 shared_ptr（推荐使用 make_shared）
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>();

    // 共享所有权（引用计数+1）
    std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1;

    // 使用 -> 操作符访问成员
    ptr1->print(); // 输出: Hello

    // 引用计数查看（调试用）
    std::cout << "引用计数: " << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出: 2

    // ptr1 和 ptr2 离开作用域，引用计数归零，对象自动析构
    return 0;
}

输出结果

MyClass 构造
Hello
引用计数: 2
MyClass 析构

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2. weak_ptr（弱引用智能指针）

核心特性

• 不增加引用计数：仅观察对象，不影响其生命周期。
• 需转换为 shared_ptr：通过 lock() 获取临时 shared_ptr 来访问对象。
• 解决循环引用：打破 shared_ptr 的循环依赖，避免内存泄漏。

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3. 循环引用问题与 weak_ptr 解决方案

循环引用示例

#include <memory>
#include <iostream>
class Node {
public:
    std::shared_ptr<Node> next;
    Node() { std::cout << "Node 构造\n"; }
    ~Node() { std::cout << "Node 析构\n"; }
};

int main() {
    auto node1 = std::make_shared<Node>();
    auto node2 = std::make_shared<Node>();
    node1->next = node2; // node2 引用计数=2
    node2->next = node1; // node1 引用计数=2

    // 退出作用域后，node1/node2 引用计数=1，无法释放！
    return 0;
}

输出结果（内存泄漏）

Node 构造
Node 构造

使用 weak_ptr 解决循环引用

#include <memory>
#include <iostream>
class SafeNode {
public:
    std::weak_ptr<SafeNode> next; // 使用 weak_ptr
    SafeNode() { std::cout << "SafeNode 构造\n"; }
    ~SafeNode() { std::cout << "SafeNode 析构\n"; }
};

int main() {
    auto node1 = std::make_shared<SafeNode>();
    auto node2 = std::make_shared<SafeNode>();
    node1->next = node2;
    node2->next = node1;

    // 退出作用域后，引用计数归零，正确析构
    return 0;
}

输出结果

SafeNode 构造
SafeNode 构造
SafeNode 析构
SafeNode 析构

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4. weak_ptr 的典型使用场景

(1) 访问共享对象前检查存活状态

#include <memory>
#include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass 构造\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass 析构\n"; }
    void print() { std::cout << "Hello\n"; }
};

void checkObject(std::weak_ptr<MyClass> weak) {
    if (auto shared = weak.lock()) { // 转换为 shared_ptr
        shared->print();
    } else {
        std::cout << "对象已被释放\n";
    }
}

int main() {
    std::weak_ptr<MyClass> weak;
    {
        auto shared = std::make_shared<MyClass>();
        weak = shared;
        checkObject(weak); // 输出: Hello
    }
    checkObject(weak); // 输出: 对象已被释放
    return 0;
}

输出结果

MyClass 构造
Hello
MyClass 析构
对象已被释放

(2) 观察者模式（缓存）

class DataCache {
    std::weak_ptr<MyClass> cachedData;
public:
    void updateCache(std::shared_ptr<MyClass> data) {
        cachedData = data;
    }
    void useCache() {
        if (auto data = cachedData.lock()) {
            data->print();
        } else {
            std::cout << "缓存无效\n";
        }
    }
};

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5. shared_ptr 与 weak_ptr 操作总结

操作	shared_ptr	weak_ptr
所有权	拥有对象所有权	仅观察对象
引用计数影响	增加	不影响
访问对象	直接通过 -> 或 *	需调用 lock() 获取 shared_ptr
检查有效性	if (ptr)	if (weak.expired()) 或 lock()

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6. 最佳实践

1. 优先使用 make_shared：更高效（单次内存分配对象+控制块）。
2. 避免循环引用：成员指针优先考虑 weak_ptr。
3. 不要用 new 初始化：直接传递裸指针可能导致多次释放。
4. 谨慎传递 shared_ptr：仅在需要共享所有权时传递，否则传递原始引用或指针。