智能指针(weak_ptr )之三

1. std::weak_ptr

1.1 定义与用法

std::weak_ptr 是一种不拥有对象所有权的智能指针，用于观察但不影响对象的生命周期。主要用于解决 shared_ptr 之间的循环引用问题。

主要特性：

  • 非拥有所有权：不增加引用计数。
  • 可从 shared_ptr 生成：通过 std::weak_ptr 可以访问 shared_ptr 管理的对象。
  • 避免循环引用：适用于双向关联或观察者模式。

1.2 避免循环引用

在存在双向关联（如父子关系）时，使用多个 shared_ptr 可能导致循环引用，导致内存泄漏。此时，可以使用 weak_ptr 来打破循环。

1.3 代码案例

场景：带有循环引用的观察者模式（天气预报系统）
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>// -------------------- 抽象接口部分 --------------------// 观察者接口：所有 App 都要实现这个接口
class Observer {
public:virtual void update(float temp) = 0; // 被通知时调用virtual ~Observer() {std::cout << "Observer destroyed" << std::endl;}
};// 主题（被观察者）接口：天气预报系统实现它
class Subject {
public:virtual void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0; // 添加观察者virtual void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0; // 移除观察者virtual void notify() = 0;                                   // 通知所有观察者virtual ~Subject() {std::cout << "Subject destroyed" << std::endl;}
};// -------------------- 主题实现部分 --------------------// 天气预报系统，持有观察者的 shared_ptr 列表
class WeatherStation : public Subject {
private:std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers; // 所有订阅者float temperature = 0.0f;public:// 注册观察者void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {observers.push_back(observer);}// 注销观察者void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}// 通知所有观察者，调用它们的 update()void notify() override {for (auto& obs : observers) {obs->update(temperature);}}// 模拟温度变化，触发通知void setTemperature(float t) {temperature = t;std::cout << "[WeatherStation] New temperature: " << t << "°C\n";notify();}~WeatherStation() {std::cout << "[WeatherStation] destroyed\n";}
};// -------------------- 观察者实现部分 --------------------// App 实现观察者接口：当温度太高，会自动注销
class AppClient : public Observer, public std::enable_shared_from_this<AppClient> {
private:std::shared_ptr<WeatherStation> station; // ❌ 持有 shared_ptr，形成循环引用public:// 构造函数，记录主题指针AppClient(std::shared_ptr<WeatherStation> s) : station(s) {}// 被通知时调用void update(float temp) override {std::cout << "[AppClient] Received temperature: " << temp << "°C\n";// 如果温度过高，就自动注销if (temp > 35.0f) {std::cout << "[AppClient] Too hot! Unsubscribing...\n";// ❌ 使用 shared_from_this() 注销自己，导致循环引用无法释放station->detach(shared_from_this());}}// 析构函数~AppClient() {std::cout << "[AppClient] destroyed\n";}
};// -------------------- 主函数 --------------------int main() {// 创建主题对象（天气系统）std::shared_ptr<WeatherStation> station = std::make_shared<WeatherStation>();// 创建观察者对象（App），并订阅std::shared_ptr<AppClient> app = std::make_shared<AppClient>(station);station->attach(app);// 第一次更新温度，通知观察者station->setTemperature(32.0f);// 第二次更新温度，观察者会自动注销// station->setTemperature(36.5f);  //如果解除这一步，那么不会产生引用循环// 程序即将结束std::cout << "[main] Exiting...\n";return 0;
}

输出：

结果：产生引用循环Observer 和 Subject  没有销毁 导致内存泄漏[WeatherStation] New temperature: 32°C
[AppClient] Received temperature: 32°C
[main] Exiting...----------------------------------------------------------------------------//解除station->setTemperature(36.5f);				
结果：	不会产生引用循环[WeatherStation] New temperature: 32°C  
[AppClient] Received temperature: 32°C  
[WeatherStation] New temperature: 36.5°C
[AppClient] Received temperature: 36.5°C
[AppClient] Too hot! Unsubscribing...   
[main] Exiting...
[AppClient] destroyed
Observer destroyed
[WeatherStation] destroyed
Subject destroyed
解决方案：使用 weak_ptr

改用 weak_ptr 其中一方，打破循环引用。

方式一 把AppClient里面的station改为weak_ptr类型，其他操作也做出相应改变

//方式一 把AppClient里面的station改为weak_ptr类型，其他操作也做出相应改变
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>// -------------------- 抽象接口部分 --------------------// 观察者接口：所有 App 都要实现这个接口
class Observer {
public:virtual void update(float temp) = 0; // 被通知时调用virtual ~Observer() {std::cout << "Observer destroyed" << std::endl;}
};// 主题（被观察者）接口：天气预报系统实现它
class Subject {
public:virtual void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0; // 添加观察者virtual void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0; // 移除观察者virtual void notify() = 0;                                   // 通知所有观察者virtual ~Subject() {std::cout << "Subject destroyed" << std::endl;}
};// -------------------- 主题实现部分 --------------------// 天气预报系统，持有观察者的 shared_ptr 列表
class WeatherStation : public Subject {
private:std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers; // 所有订阅者float temperature = 0.0f;public:// 注册观察者void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {observers.push_back(observer);}// 注销观察者void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());}// 通知所有观察者，调用它们的 update()void notify() override {for (auto& obs : observers) {obs->update(temperature);}}// 模拟温度变化，触发通知void setTemperature(float t) {temperature = t;std::cout << "[WeatherStation] New temperature: " << t << "°C\n";notify();}~WeatherStation() {std::cout << "[WeatherStation] destroyed\n";}
};// -------------------- 观察者实现部分 --------------------// App 实现观察者接口：当温度太高，会自动注销
class AppClient : public Observer, public std::enable_shared_from_this<AppClient> {
private:std::weak_ptr<WeatherStation> station;  //修改1public:// 构造函数，记录主题指针AppClient(std::shared_ptr<WeatherStation> s) : station(s) {}// 被通知时调用void update(float temp) override {std::cout << "[AppClient] Received temperature: " << temp << "°C\n";// 如果温度过高，就自动注销if (temp > 35.0f) {std::cout << "[AppClient] Too hot! Unsubscribing...\n";if(!station.expired()) //修改2{station.lock()->detach(shared_from_this()); }}}// 析构函数~AppClient() {std::cout << "[AppClient] destroyed\n";}
};// -------------------- 主函数 --------------------int main() {// 创建主题对象（天气系统）std::shared_ptr<WeatherStation> station = std::make_shared<WeatherStation>();// 创建观察者对象（App），并订阅std::shared_ptr<AppClient> app = std::make_shared<AppClient>(station);station->attach(app);// 第一次更新温度，通知观察者station->setTemperature(32.0f);// 第二次更新温度，观察者会自动注销// station->setTemperature(36.5f);  //如果解除这一步，那么不会产生引用循环// 程序即将结束std::cout << "[main] Exiting...\n";return 0;
}

输出：

[WeatherStation] New temperature: 32°C
[AppClient] Received temperature: 32°C
[main] Exiting...
[WeatherStation] destroyed
[AppClient] destroyed
Observer destroyed
Subject destroyed

方式二 把WeatherStation里面的observers改为weak_ptr类型，其他操作也做出相应改变

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>// -------------------- 抽象接口部分 --------------------// 观察者接口：所有 App 都要实现这个接口
class Observer
{
public:virtual void update(float temp) = 0; // 被通知时调用virtual ~Observer(){std::cout << "Observer destroyed" << std::endl;}
};// 主题（被观察者）接口：天气预报系统实现它
class Subject
{
public:virtual void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0; // 添加观察者virtual void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0; // 移除观察者virtual void notify() = 0;                                   // 通知所有观察者virtual ~Subject(){std::cout << "Subject destroyed" << std::endl;}
};// -------------------- 主题实现部分 --------------------// 天气预报系统，持有观察者的 shared_ptr 列表
class WeatherStation : public Subject
{
private:std::vector<std::weak_ptr<Observer>> observers; // 修改1float temperature = 0.0f;public:// 注册观察者void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) override{observers.push_back(observer);}// 注销观察者void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override{observers.erase(    // 修改2 std::remove_if(observers.begin(), observers.end(),[&observer](const std::weak_ptr<Observer> &wptr){return !wptr.expired() && wptr.lock() == observer;}),observers.end());}// void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {//        std::cout << "[WeatherStation] detach\n";//        std::weak_ptr<Observer> temp = observer;//        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), temp), observers.end());//   }//如果改成这样的话，思路很接近核心，看起来像是合理的，但它其实 仍然不行//原因就在于：std::weak_ptr 不支持 == 比较（哪怕是彼此之间），除非你先把它们 lock 成 shared_ptr//两个 weak_ptr 即使指向相同的对象，它们也可能过期（expired）//无法确定“空的”和“已销毁”的哪个该算“相等”// 通知所有观察者，调用它们的 update()void notify() override{for (auto &obs : observers){if (!obs.expired()) // 修改3obs.lock()->update(temperature); }}// 模拟温度变化，触发通知void setTemperature(float t){temperature = t;std::cout << "[WeatherStation] New temperature: " << t << "°C\n";notify();}~WeatherStation(){std::cout << "[WeatherStation] destroyed\n";}
};// -------------------- 观察者实现部分 --------------------// App 实现观察者接口：当温度太高，会自动注销
class AppClient : public Observer, public std::enable_shared_from_this<AppClient>
{
private:std::shared_ptr<WeatherStation> station; // ❌ 持有 shared_ptr，形成循环引用public:// 构造函数，记录主题指针AppClient(std::shared_ptr<WeatherStation> s) : station(s) {}// 被通知时调用void update(float temp) override{std::cout << "[AppClient] Received temperature: " << temp << "°C\n";// 如果温度过高，就自动注销if (temp > 35.0f){std::cout << "[AppClient] Too hot! Unsubscribing...\n";// ❌ 使用 shared_from_this() 注销自己，导致循环引用无法释放station->detach(shared_from_this());}}// 析构函数~AppClient(){std::cout << "[AppClient] destroyed\n";}
};// -------------------- 主函数 --------------------int main()
{// 创建主题对象（天气系统）std::shared_ptr<WeatherStation> station = std::make_shared<WeatherStation>();// 创建观察者对象（App），并订阅std::shared_ptr<AppClient> app = std::make_shared<AppClient>(station);station->attach(app);// 第一次更新温度，通知观察者station->setTemperature(32.0f);// 第二次更新温度，观察者会自动注销// station->setTemperature(36.5f);  //如果解除这一步，那么不会产生引用循环// 程序即将结束std::cout << "[main] Exiting...\n";return 0;
}

输出：

[WeatherStation] New temperature: 32°C
[AppClient] Received temperature: 32°C
[main] Exiting...
[AppClient] destroyed
Observer destroyed
[WeatherStation] destroyed
Subject destroyed

1.4 访问 weak_ptr 指向的对象

weak_ptr 不能直接访问对象，需要通过 lock() 方法转换为 shared_ptr，并检查对象是否仍然存在。

  • std::weak_ptr::expired()
    • 功能：std::weak_ptr 的 expired() 成员函数用于检查 std::weak_ptr 所引用的对象是否已经被销毁（即关联的 std::shared_ptr 的引用计数是否已变为 0）。
    • 返回值：
      • bool类型
        • true：表示 std::weak_ptr 已过期（引用的对象已被销毁）。
        • false：表示 std::weak_ptr 未过期（引用的对象仍然存在）。
#include <iostream>
#include <memory>int main() {std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);std::weak_ptr<int> wp = sp;if (auto locked = wp.lock()) { //wp.lock() 会尝试安全地获取一个新的 shared_ptr，如果资源还存在，它就返回一个有效的 								 //shared_ptr,否则返回一个空的 shared_ptr 到时if(shared_ptr)会触发operator bool()函								 //	数,也就是if(shared_ptr.bool()) == if(return shared_ptr.get() != nullptr;)std::cout << "Value: " << *locked << std::endl;} else {std::cout << "Object no longer exists." << std::endl;}sp.reset(); // 释放资源if (auto locked = wp.lock()) { // 再次尝试获取 shared_ptr std::cout << "Value: " << *locked << std::endl;} else {std::cout << "Object no longer exists." << std::endl;}/*	效果一样！expired()if(!wp.expired()) { // 再次尝试获取 shared_ptr std::cout << "Value: " << *wp.lock() << std::endl;} else {std::cout << "Object no longer exists." << std::endl;}*/return 0;
}

输出：

Value: 42
Object no longer exists.

解析：

  • wp.lock() 返回一个 shared_ptr，如果对象依然存在，则有效。
  • sp.reset() 释放资源后，wp.lock() 无法获取有效的 shared_ptr。

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