对象的强引用和弱引用

如何保证一个对象在释放后不会再被访问? 最简单的是使用带引用计数的智能指针,但是强引用会导致对象不会被释放。那么弱引用如何?弱引用允许对象被释放,弱引用必须先转成强引用才能对对象进行操作,如果转换失败,则表示对象已经被删除。


正好看到一篇文章“ 当析构函数遇到多线程──C++ 中线程安全的对象回调”,其大意是使用shared_ptr和weak_ptr来完成。对象必须使用shared_ptr来引用,weak_ptr必须先转成shared_ptr才能对对象进行操作。


几个相关的智能指针封装类

auto_ptr   可以自动完成指针的释放。问题是,auto_ptr允许复制,并且内部对象的归属就自动转移到新生成的auto_ptr对象上,现有auto_ptr就不能访问了,这很容易让人困惑和导致错误,也因此auto_ptr不能用于标准STL容器中(因为涉及元素拷贝)。  

scoped_ptr  跟auto_ptr的功能一样,但是不允许被复制,这样就避免了不小心导致的错误。

shared_ptr   跟auto_ptr和scoped_ptr不一样,shared_ptr允许复制,多个shared_ptr实例指向的是同一个内部对象,并通过引用计数来控制内部对象的生命周期。因为可以复制,所以shared_ptr可以用于标准STL容器中。

weak_ptr  跟shared_ptr一样,weak_ptr 也允许复制。但与shared_ptr锁住内部对象的生命周期不一样的是,weak_ptr允许shared_ptr指向的对象被释放。在对内部对象操作前,weak_ptr必须先转成shared_ptr(即先锁住内部对象避免被释放,如果锁定失败则意味着对象已经被释放了)。weak_ptr必须从shared_ptr构造得来,因为需要共享一些数据,要不怎么能转换呢。


要保证对象的析构安全,必须统一通过shared_ptr和weak_ptr来引用对象,不能直接使用裸指针。 现在的问题是如何保证线程安全,特别是从weak_ptr转成shared_ptr的瞬间。

关键是如下操作引用计数的代码,add_ref_lock必须保证在use_count_ 不为零的时候加一成功!代码很精妙。


    bool add_ref_lock() // true on success
    {
        for( ;; )
        {
            long tmp = static_cast< long const volatile& >( use_count_ );
            if( tmp == 0 ) return false;

#if defined( BOOST_MSVC ) && BOOST_WORKAROUND( BOOST_MSVC, == 1200 )

            // work around a code generation bug

            long tmp2 = tmp + 1;
            if( BOOST_INTERLOCKED_COMPARE_EXCHANGE( &use_count_, tmp2, tmp ) == tmp2 - 1 ) return true;

#else

            if( BOOST_INTERLOCKED_COMPARE_EXCHANGE( &use_count_, tmp + 1, tmp ) == tmp ) return true;

#endif
        }
    }

    void release() // nothrow
    {
        if( BOOST_INTERLOCKED_DECREMENT( &use_count_ ) == 0 )
        {
            dispose();
            weak_release();
        }
    }

<think>首先,用户的问题是:“我想了解C++中强引用弱引用的概念及用法请问C++强引用弱引用区别使用场景”。我需要基于系统级指令来回答。系统级指令的关键点:-所有行内数学表达式必须使用`$...$`格式。-独立公式必须使用`$$...$$`格式并单独成段。-LaTeX语法正确。-使用中文回答。-生成相关问题。-在回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如`[^1]`。-回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。-参考提供的引用内容。提供的引用内容:-引用[1]:关于Java的四大引用类型,但用户问的是C++。-引用[2]:讨论C/C++的弱符号强符号,以及弱引用强引用。它说强引用如果未定义会报错,弱引用不会报错,链接器默认其为0。-引用[3]:关于Android的引用,但提到弱引用软引用的区别。用户的问题是关于C++的强引用弱引用。引用[2]直接相关,因为它讨论了C/C++中的弱符号强符号,并引入了弱引用强引用。在C++中,"强引用""弱引用"通常不是标准术语。C++标准库有智能指针,如`std::shared_ptr`(强引用`std::weak_ptr`(弱引用)。我需要确保回答准确。关键概念:-**强引用(StrongReference)**:在C++中,这通常指`std::shared_ptr`,它维护一个引用计数,对象只有在没有强引用时才会被销毁。-**弱引用(WeakReference)**:这指`std::weak_ptr`,它不增加引用计数,因此不会阻止对象被销毁。它可以用来检查对象是否还存在。使用场景:-强引用:用于共享所有权,确保对象存活。-弱引用:用于避免循环引用,例如在观察者模式或缓存中。引用[2]提到的是在链接阶段的符号引用,而不是运行时。它说:-强引用:如果未定义,链接时报错。-弱引用:如果未定义,不会报错,链接器默认其地址为0。这似乎是关于编译链接阶段的符号,而不是运行时的内存管理。用户的问题是“强引用弱引用区别使用场景”,在C++上下文中,通常指的是智能指针。我应该澄清这一点:-在C++中,"强引用""弱引用"可能有两层含义:1.编译/链接阶段:符号的强弱引用(如引用[2]所述)。2.运行时:智能指针的强弱引用(如`std::shared_ptr``std::weak_ptr`)。用户的问题可能指的是运行时内存管理,因为提到了“使用场景”。引用[2]讨论了符号引用,但我应该优先考虑常见的运行时含义。为了准确,我应该覆盖两个方面:1.编译/链接阶段的强弱引用(基于引用[2])。2.运行时的强弱引用(智能指针)。但用户指定了“C++强引用弱引用”,在标准C++中,运行时的是通过智能指针实现的。结构回答:-逐步解决问题。-先介绍概念。-解释区别。-讨论使用场景。-使用中文。-添加引用标识:引用[2]是主要来源。-生成相关问题。添加引用:在回答中,当引用内容时,在段落末尾添加`[^2]`。数学表达式:用户的问题不涉及数学,但如果有,要用`$...$`。例如,如果提到计数,可以用`$count$`。回答结构:1.介绍强引用弱引用在C++中的含义。2.解释编译/链接阶段的区别(基于引用[2])。3.解释运行时的区别(智能指针)。4.比较区别。5.讨论使用场景。6.生成相关问题。生成相关问题:在最后添加“§§相关问题§§”部分。确保真实可靠:基于C++标准。</think>### C++ 中强引用弱引用的概念及用法 在 C++ 中,“强引用弱引用”通常涉及两个层面:**编译/链接阶段**(符号引用)**运行时内存管理**(智能指针)。我将逐步解释概念、区别使用场景,确保内容清晰可靠。 #### 1. **基本概念** - **强引用 (Strong Reference)**: - 在编译/链接阶段:强引用指向符号(如函数或变量)。如果该符号未定义,链接器会报错,导致编译失败[^2]。 - 在运行时(内存管理):这对应于 `std::shared_ptr`。强引用维护引用计数,对象只有在所有强引用释放后才会被销毁。例如: ```cpp std::shared_ptr<int> strongRef = std::make_shared<int>(42); // 强引用,增加引用计数 ``` 这里,`strongRef` 确保 `int` 对象存活,直到所有 `shared_ptr` 被释放。 - **弱引用 (Weak Reference)**: - 在编译/链接阶段:弱引用指向符号。如果符号未定义,链接器不会报错,而是默认其地址为 0(即 `nullptr`),程序可能运行时崩溃[^2]。 - 在运行时:这对应于 `std::weak_ptr`。弱引用不增加引用计数,因此不阻止对象销毁。它用于观察对象状态: ```cpp std::weak_ptr<int> weakRef = strongRef; // 弱引用,不增加引用计数 ``` 弱引用可以通过 `lock()` 方法转换为临时强引用来访问对象。 两者的核心区别在于**生命周期控制**:强引用“拥有”对象,确保其存活;弱引用“观察”对象,不参所有权管理。 #### 2. **强引用弱引用的区别** 下表总结关键差异: | 特性 | 强引用 (e.g., `std::shared_ptr`) | 弱引用 (e.g., `std::weak_ptr`) | |--------------|----------------------------------|--------------------------------| | **引用计数** | 增加计数,阻止对象销毁 | 不增加计数,不阻止销毁 | | **访问对象** | 直接访问(通过 `operator*` 或 `operator->`) | 需先调用 `lock()` 转换为强引用 | | **编译/链接行为** | 符号未定义时报错 | 符号未定义时默认地址为 0,不报错[^2] | | **运行时安全性** | 高(对象始终有效) | 低(对象可能被销毁,需检查) | | **内存开销** | 较高(需维护计数控制块) | 较低(仅存储指针) | 数学上,引用计数模型可表示为: - 强引用对象销毁条件为引用计数 $ \text{count} = 0 $。 - 弱引用:不影响 $ \text{count} $,仅当对象存在时可访问。 #### 3. **使用场景** - **强引用场景**: - **共享所有权**:多个对象需共同管理同一资源时,如共享配置数据或缓存。 ```cpp std::shared_ptr<Config> config = loadConfig(); // 多个模块共享 ``` - **避免拷贝**:大型对象(如图像)通过强引用传递,减少复制开销。 - **确保资源存活**:在 GUI 框架中,确保事件处理对象在回调期间不被销毁。 - **弱引用场景**: - **打破循环引用**:在父子对象或观察者模式中,防止内存泄漏。例如: ```cpp class Parent { std::shared_ptr<Child> child; }; class Child { std::weak_ptr<Parent> parent; // 弱引用避免循环 }; ``` 如果使用强引用,`Parent` `Child` 相互持有会导致内存泄漏;弱引用允许 `Parent` 被销毁。 - **缓存实现**:临时对象(如网络请求结果)可被弱引用观察,内存不足时自动回收,不强制保留[^3]。 - **非关键依赖**:如日志系统,对象销毁不影响日志框架运行。 - **编译/链接场景**: - 强引用用于核心函数(如 `main()`),确保必须存在。 - 弱引用用于可选插件或动态加载库,符号缺失时不崩溃,但需运行时检查。 #### 4. **注意事项** - **性能**:强引用有额外计数开销(约 16-24 字节),弱引用更轻量,但频繁 `lock()` 可能影响性能。 - **安全性**:弱引用访问前必须检查: ```cpp if (auto temp = weakRef.lock()) { // 对象存在,使用 temp } else { // 对象已销毁 } ``` - **标准支持**:C++11 起引入 `std::shared_ptr` `std::weak_ptr`,需包含 `<memory>` 头文件。 通过合理选择引用类型,可优化内存使用避免常见问题如循环引用[^2][^3]。
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