8 C++ 智能指针之 shared_ptr 与 weak_ptr

在上一篇教程中，我们深入探讨了 unique_ptr 的使用，以及它如何在 C++ 中管理资源，防止内存泄漏。在本篇中，我们将重点关注 shared_ptr 和 weak_ptr，这两种智能指针为实现共享和解决循环引用问题提供解决方案。

shared_ptr

shared_ptr 是一种共享所有权的智能指针，它允许多个指针实例共享同一块动态分配的内存。其底层使用引用计数的机制来管理资源的生命周期。

使用 shared_ptr

要使用 shared_ptr，需要包含头文件 <memory>。下面是一个使用 shared_ptr 的简单示例：

#include <iostream>
#include <memory>

class Resource {
public:
    Resource() {
        std::cout << "Resource acquired." << std::endl;
    }
    ~Resource() {
        std::cout << "Resource destroyed." << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Resource> ptr1(new Resource());
    {
        std::shared_ptr<Resource> ptr2 = ptr1; // 共享所有权
        std::cout << "ptr2 is created." << std::endl;
        std::cout << "ptr1 use count: " << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出2
    }
    // ptr2 超出了作用域，资源不会立即释放
    std::cout << "ptr2 is out of scope." << std::endl;
    std::cout << "ptr1 use count: " << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出1

    return 0;
}

解析

在这个例子中，我们创建了一个 Resource 类的实例，并通过 shared_ptr 来管理它。ptr2 共享了 ptr1 的所有权，导致引用计数增加。当 ptr2 超出作用域后，引用计数减少，实际资源仍然由 ptr1 管理，直到 ptr1 也超出作用域。

循环引用问题

使用 shared_ptr 时，一个常见问题是循环引用。如果两个对象相互持有 shared_ptr，则它们的引用计数永远不会降到零，从而导致内存泄漏。为了解决这个问题，我们可以使用 weak_ptr。

weak_ptr

weak_ptr 是一种不拥有对象的智能指针。它通常与 shared_ptr 配合使用，以避免循环引用问题。weak_ptr 允许访问由 shared_ptr 管理的资源，但不增加引用计数。

使用 weak_ptr

下面是一个示例，展示了如何使用 weak_ptr 来解决循环引用：

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr; // 指向 B 的 shared_ptr
    ~A() {
        std::cout << "A destroyed." << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // 指向 A 的 weak_ptr
    ~B() {
        std::cout << "B destroyed." << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();

    a->b_ptr = b;      // A 拥有 B
    b->a_ptr = a;      // B 指向 A，但不增加引用计数

    std::cout << "End of the program." << std::endl;

    return 0;
}

解析

在这个示例中，A 类持有指向 B 的 shared_ptr，而 B 类持有指向 A 的 weak_ptr。这样，A 和 B 之间的循环引用得以避免。当 main 函数结束时，A 和 B 的资源可以正确释放，没有内存泄漏。

总结

在本篇中，我们深入探讨了 shared_ptr 和 weak_ptr 的使用，以及它们如何在 C++ 中共同工作以管理资源。在实际应用中，正常情况下，您可以使用 shared_ptr 来共享资源，而在处理可能导致循环引用的场景时使用 weak_ptr。这种方式提供了更安全、更方便的内存管理方案。

在下一篇教程中，我们将讨论如何自定义智能指针，为特定需求定制内存管理方案。感谢您阅读本篇教程！