C++11的shared_ptr与weak_ptr示例分析

在C++11标准中，智能指针的引入极大地简化了内存管理，减少了内存泄漏和悬空指针的风险。shared_ptr和weak_ptr是其中两个非常重要的智能指针类型。本文将详细分析它们的用法，并通过示例代码展示它们在实际编程中的应用。

1. shared_ptr简介

shared_ptr是一种共享所有权的智能指针，它通过引用计数来管理对象的生命周期。当最后一个shared_ptr离开作用域或被重置时，它所管理的对象会被自动删除。

1.1 基本用法

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
    void doSomething() { std::cout << "Doing something\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass());
    {
        std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1;
        ptr2->doSomething();
    } // ptr2离开作用域，引用计数减1
    ptr1->doSomething();
    return 0;
} // ptr1离开作用域，引用计数减为0，对象被销毁

在上面的代码中，ptr1和ptr2共享同一个MyClass对象。当ptr2离开作用域时，引用计数减1，但对象并未被销毁，因为ptr1仍然持有该对象。只有当ptr1也离开作用域时，引用计数减为0，对象才会被销毁。

1.2 引用计数

shared_ptr通过引用计数来管理对象的生命周期。每次复制shared_ptr时，引用计数加1；每次shared_ptr被销毁或重置时，引用计数减1。当引用计数减为0时，对象被自动删除。

std::shared_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass());
std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1; // 引用计数为2
ptr1.reset(); // 引用计数减1，ptr1不再持有对象
ptr2->doSomething(); // 仍然可以访问对象
ptr2.reset(); // 引用计数减为0，对象被销毁

2. weak_ptr简介

weak_ptr是一种弱引用的智能指针，它不增加引用计数，因此不会影响对象的生命周期。weak_ptr通常用于解决shared_ptr的循环引用问题。

2.1 基本用法

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    std::shared_ptr<MyClass> other;
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass());
    std::shared_ptr<MyClass> ptr2(new MyClass());
    ptr1->other = ptr2;
    ptr2->other = ptr1; // 循环引用
    return 0;
} // 对象不会被销毁，因为存在循环引用

在上面的代码中，ptr1和ptr2相互引用，导致引用计数永远不会减为0，从而造成内存泄漏。

2.2 使用weak_ptr解决循环引用

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    std::weak_ptr<MyClass> other;
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass());
    std::shared_ptr<MyClass> ptr2(new MyClass());
    ptr1->other = ptr2;
    ptr2->other = ptr1; // 使用weak_ptr避免循环引用
    return 0;
} // 对象被正确销毁

通过将other改为weak_ptr，ptr1和ptr2不再相互增加引用计数，从而避免了循环引用问题。当ptr1和ptr2离开作用域时，引用计数减为0，对象被正确销毁。

2.3 使用weak_ptr访问对象

weak_ptr本身不持有对象，因此不能直接访问对象。要访问对象，必须先将weak_ptr转换为shared_ptr。

std::shared_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass());
std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = ptr1;
if (auto sharedPtr = weakPtr.lock()) {
    sharedPtr->doSomething(); // 安全地访问对象
} else {
    std::cout << "对象已被销毁\n";
}

weak_ptr::lock()方法返回一个shared_ptr，如果对象仍然存在，则返回有效的shared_ptr，否则返回空的shared_ptr。

3. 总结

shared_ptr和weak_ptr是C++11中非常重要的智能指针类型。shared_ptr通过引用计数管理对象的生命周期，适用于大多数需要共享所有权的场景。weak_ptr则用于解决shared_ptr的循环引用问题，并且不会增加引用计数。

在实际编程中，合理使用shared_ptr和weak_ptr可以有效地避免内存泄漏和悬空指针问题，提高代码的安全性和可维护性。通过本文的示例分析，希望读者能够更好地理解并应用这两种智能指针。