【C++ | 内存管理】C++ weak_ptr 详解：成员函数、使用例子与实现原理

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⏰发布时间⏰： 2025-05-16 12:19:44

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🎄一、概述

std::weak_ptr 是 C++11 引入的智能指针，用于解决 shared_ptr 的 循环引用问题 和实现 非拥有观察者模式。它不直接管理对象的生命周期，而是通过观察 shared_ptr 的引用计数，提供一种安全的方式访问被 shared_ptr 管理的对象。
核心特性：

• 不增加引用计数：不会影响 shared_ptr 管理的对象的生命周期。

• 观察者角色：可检测对象是否已被释放（避免悬空指针）。

• 需转换为 shared_ptr：必须通过 lock() 获取临时所有权才能访问对象。

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🎄二、核心成员函数详解

✨2.1 构造函数

构造函数	描述	示例
默认构造	创建空的 weak_ptr	weak_ptr<int> wp;
从 shared_ptr 构造	观察 shared_ptr 管理的对象	shared_ptr<int> sp(new int(42)); weak_ptr<int> wp(sp);
拷贝构造	拷贝另一个 weak_ptr 的观察状态	weak_ptr<int> wp2(wp1);
移动构造	转移观察状态，原 weak_ptr 置空	weak_ptr<int> wp3(std::move(wp2));

✨2.2 析构函数

• 不影响 shared_ptr 的引用计数，仅释放观察状态。

✨2.3 赋值操作符

weak_ptr& operator=(const weak_ptr& r);  // 拷贝赋值  
weak_ptr& operator=(weak_ptr&& r);       // 移动赋值  
weak_ptr& operator=(const shared_ptr<T>& r);  // 从 shared_ptr 赋值  

✨2.4 关键成员函数

函数	描述	示例
lock()	返回一个 shared_ptr，若对象存活则共享所有权；否则返回空	shared_ptr<int> sp = wp.lock();
expired()	检查被观察对象是否已被释放（等价于 use_count() == 0）	if (wp.expired()) { ... }
use_count()	返回关联的 shared_ptr 的引用计数	long count = wp.use_count();
reset()	解除观察，置空 weak_ptr	wp.reset();
swap()	交换两个 weak_ptr 的观察状态	wp1.swap(wp2);

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🎄3. 使用指南

✨3.1 适用场景

1. 打破循环引用：

   class B;  
   class A {  shared_ptr<B> b_ptr;  
   };  
   class B {  weak_ptr<A> a_ptr;  // 避免循环引用  
   };  
   

2. 观察者模式：
   允许临时访问对象，但不影响其生命周期（如缓存、事件监听）。
3. 缓存管理：
   缓存对象时使用 weak_ptr，当对象未被其他 shared_ptr 引用时自动释放。

✨3.2 基本用法

shared_ptr<int> sp = make_shared<int>(42);  
weak_ptr<int> wp(sp);  // 访问对象前必须调用 lock()  
if (shared_ptr<int> tmp = wp.lock()) {  cout << *tmp << endl;  // 对象存活  
} else {  cout << "对象已释放" << endl;  
}  

✨3.3 注意事项

• 不可直接解引用：
  weak_ptr 没有 operator* 或 operator->，必须通过 lock() 获取 shared_ptr。
• 线程安全性：
  lock() 和 expired() 在多线程环境下需同步（即使引用计数原子增减，对象可能被其他线程释放）。
• 性能开销：
  lock() 操作会涉及引用计数检查，高频调用需谨慎。

✨3.4 自定义删除器

• weak_ptr 不直接支持自定义删除器，但继承自关联的 shared_ptr。
• 若 shared_ptr 使用了自定义删除器，通过 lock() 获取的 shared_ptr 也会保留该删除器。

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🎄4. 实现原理

✨4.1 控制块（Control Block）

• weak_ptr 与关联的 shared_ptr 共享控制块，控制块包含：
  • 强引用计数（use_count）：由 shared_ptr 管理。
  • 弱引用计数（weak_count）：由 weak_ptr 管理。
  • 其他信息（如删除器、分配器等）。

✨4.2 生命周期管理

• 对象释放条件：

  • 当 use_count 归零时，对象被销毁（调用删除器），但控制块仍存在。
  • 控制块在 weak_count 也归零时 才会被释放。

• lock() 的内部逻辑：

  shared_ptr<T> lock() const {  if (expired()) return nullptr;  return shared_ptr<T>(*this);  // 通过 weak_ptr 构造 shared_ptr  
  }  
  

  • 若对象存活，构造 shared_ptr 会增加 use_count。

✨4.3 内存布局

• make_shared 优化：对象与控制块分配在连续内存中。
• 独立分配：直接构造 shared_ptr 时，对象与控制块分离。

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🎄5. 常见问题与最佳实践

✨5.1 常见陷阱

• 误用 expired() + lock()：
  多线程环境下，expired() 检查后对象可能被释放，导致 lock() 返回空。

  if (!wp.expired()) {  // 此处对象可能已被其他线程释放  shared_ptr<T> sp = wp.lock();  // 可能得到空指针  
  }  
  

  正确做法：直接调用 lock() 并检查结果。

• 保留无用的 weak_ptr：
  长期持有 weak_ptr 会导致控制块无法释放，增加内存占用。

✨5.2 最佳实践

1. 优先使用 lock()：避免单独依赖 expired()。
2. 及时 reset()：不再需要观察时主动释放 weak_ptr。
3. 结合 make_shared：减少内存碎片，提升性能。
4. 避免跨线程传递裸 weak_ptr：传递 shared_ptr 或封装访问逻辑。

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🎄结语

std::weak_ptr 是 C++ 智能指针体系中的重要补充，通过非拥有观察者的角色，有效解决了 shared_ptr 的循环引用问题，并支持灵活的缓存和观察者模式设计。理解其成员函数、实现原理及适用场景，能帮助开发者在复杂资源管理场景中编写更安全、高效的代码。始终遵循“检查-访问”模式（通过 lock()），并注意线程安全和生命周期管理，是使用 weak_ptr 的关键。

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参考：
C++ 智能指针详解：std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr

https://cplusplus.com/reference/memory/shared_ptr/