C++2.0新特性(七)——<Smart Pointer(智能指针)之weak_ptr>

一、weak_ptr出现的意义

  上一节提到过shared_ptr,它会自动释放“不再需要使用的对象”的相应的资源,但是它不是万能的,在某些时候(比如说循环引用),它会显得力不从心,这就是weak_ptr出现的意义;

1.1 weak_ptr 使用特性

  weak_ptr也是一个模板,只提供能接受一个shared_ptr的构造函数或者另一个weak_ptr的赋值,也就是说不能直接用它定义一个智能指针对象,它是为了搭配shared_ptr使用的,weak_ptr提供lock、swap、reset、expired、operator=、use_count等函数,相对shared_ptr多了lock、expired函数,却少了get函数,也不支持operator* 和 operator->

二、weak_ptr使用测试

2.1 以下例子在shared_ptr循环引用时的弊端

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 #include <vector>
 4 #include <memory>
 5 using namespace std;
 6 
 7 class Person {
 8 public:
 9     string name;
10     shared_ptr<Person> mother;
11     shared_ptr<Person> father;
12     vector<shared_ptr<Person>> kids;
13 
14     Person(const string& n,
15         shared_ptr<Person> m = nullptr,
16         shared_ptr<Person> f = nullptr)
17         : name(n), mother(m), father(f) {
18     }
19 
20     ~Person() {
21         cout << "delete " << name << endl;
22     }
23 };
24 
25 shared_ptr<Person> initFamily(const string& name)
26 {
27     shared_ptr<Person> mom(new Person(name + "'s mom"));
28     shared_ptr<Person> dad(new Person(name + "'s dad"));
29     shared_ptr<Person> kid(new Person(name, mom, dad));
30     //以下是为了统计引用次数
31     cout << "1 mom is shared " << mom.use_count() << " times" << endl;
32     cout << "1 dad is shared " << dad.use_count() << " times" << endl;
33     cout << "1 kid is shared " << kid.use_count() << " times" << endl;
34     mom->kids.push_back(kid);
35     dad->kids.push_back(kid);
36     cout << "mom is shared " << mom.use_count() << " times" << endl;
37     cout << "dad is shared " << dad.use_count() << " times" << endl;
38     cout << "kid is shared " << kid.use_count() << " times" << endl;
39     return kid;
40 }
41 
42 int main()
43 {
44     shared_ptr<Person> p = initFamily("nico");
45 
46     cout << "nico's family exists" << endl;
47     cout << "- nico is shared " << p.use_count() << " times" << endl;
48     cout << "- name of 1st kid of nico's mom: "
49         << p->mother->kids[0]->name << endl;
50 
51     p = initFamily("jim");
52     cout << "jim's family exists" << endl;
53 }

   上述例子解释:首先我们initFamily函数建立Person:mom 、dad和kid,根据传入的实参将所有姓名初始化,并且还将kid插入到其父母的容器中,最终initFamily函数返回kid并赋值给p,p其实指向上述家庭的最后一个handle,因此在p被赋值之前nico共被共享3次,现在如果我们释放这个p(释放方式:(1)给p指向一个新的person或者赋值为nullptr;(2)main()函数结束时离开p的作用域),但是我们看到程序输出的结果是没有任何person被释放(没有执行析构函数),因为他们都至少被一个shared_ptr指向,于是析构函数都无法执行,这就是循环指向的问题。

  如下是引入weak_ptr来解决循环指向的问题:我们可以把kid申明为一个类型为weak_ptr类型的vector。

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 #include <vector>
 4 #include <memory>
 5 using namespace std;
 6 
 7 class Person {
 8 public:
 9     string name;
10     shared_ptr<Person> mother;
11     shared_ptr<Person> father;
12     vector<weak_ptr<Person>> kids;  // weak pointer !!!
13 
14     Person(const string& n,
15         shared_ptr<Person> m = nullptr,
16         shared_ptr<Person> f = nullptr)
17         : name(n), mother(m), father(f) {
18     }
19 
20     ~Person() {
21         cout << "delete " << name << endl;
22     }
23 };
24 
25 shared_ptr<Person> initFamily(const string& name)
26 {
27     shared_ptr<Person> mom(new Person(name + "'s mom"));
28     shared_ptr<Person> dad(new Person(name + "'s dad"));
29     shared_ptr<Person> kid(new Person(name, mom, dad));
30     //以下是为了统计引用次数
31     cout << "1 mom is shared " << mom.use_count() << " times" << endl;
32     cout << "1 dad is shared " << dad.use_count() << " times" << endl;
33     cout << "1 kid is shared " << kid.use_count() << " times" << endl;
34     mom->kids.push_back(kid);
35     dad->kids.push_back(kid);
36     cout << "mom is shared " << mom.use_count() << " times" << endl;
37     cout << "dad is shared " << dad.use_count() << " times" << endl;
38     cout << "kid is shared " << kid.use_count() << " times" << endl;
39     return kid;
40 }
41 
42 int main()
43 {
44     shared_ptr<Person> p = initFamily("nico");
45 
46     cout << "nico's family exists" << endl;
47     cout << "- nico is shared " << p.use_count() << " times" << endl;
48     cout << "- name of 1st kid of nico's mom: "
49         << p->mother->kids[0].lock()->name << endl;
//上述使用了lock函数,lock函数来获取其对应的shared_ptr对象,下面详细解释
50 51 p = initFamily("jim"); 52 cout << "jim's family exists" << endl; 53 }

   上述解析:关键就在于使用的weak_ptr相比于shared_ptr,没有增加kid的引用计数,所以再最后离开main作用域后能准确调用析构函数,上面例子重要的函数时lock,我们可以将mon(shared_ptr)指针直接赋值给weak_ptr(反之不行),其实weak_ptr 最重要的函数只有lock和expired两个函数,因为weak_ptr本身不会增加引用计数,所以当我们要使用时就要用lock函数,lock()会产生出一个shared_ptr(也就说使用之前必须复制到 shared_ptr)进而像普通指针一样使用。

  关键函数解析:

  • operator=

void operator=(std::weak_ptr<T> desired) noexcept;为weak_ptr赋值,weak_ptr接受shared_ptr类型的变量赋值,但是反过来是行不通的,需要使用lock函数。

  • reset

void reset() noexcept;释放被管理对象的所有权。调用后 *this 不管理对象。

  • swap

void swap( weak_ptr& r ) noexcept;交换 *this 与 r 的内容。

  • use_count

long use_count() const noexcept;返回共享被管理对象所有权的 shared_ptr 实例数量,或 ​0​ ,若被管理对象已被删除,即 *this 为空。

  • expired

bool expired() const noexcept;检查被引用的对象是否已删除,等价于 use_count() == 0,但是比use_count快,若被管理对象已被删除则为 true ,否则为 false 。由于不知道对象是否已经被析构,最好使用之前先使用expired函数检测一下。

  • lock

std::shared_ptr<T> lock() const noexcept;创建新的 std::shared_ptr 对象,它共享被管理对象的所有权。若无被管理对象,即 *this 为空,则返回亦为空的 shared_ptr ,等效地返回 expired() ? shared_ptr<T>() : shared_ptr<T>(*this) ,原子地执行。

2.2 常见成员函数以及分类介绍

 

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