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【C++11】智能指针与动态内存

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简介

在C++编程中，处理循环引用是一个常见的问题。循环引用可能导致内存泄漏和资源管理问题。为了解决这个问题，C++11引入了weak_ptr智能指针。

弱指针（weak_ptr）是一种不受控制所指向对象生存期的智能指针，它指向由一个shared_ptr管理的对象。允许你共享对象的所有权，但不会增加对象的引用计数。它是一种弱引用，不会阻止对象的销毁。一旦一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。即使有weak_ptr指向对象，对象也会被释放。

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一、头文件

本文出现的关于unique_ptr的方法都包含在此头文件中

#include <memory>

二、初始化及使用

1. 使用一个shared_ptr来初始化

用一个shared_ptr来初始化，不会改变shared_ptr的引用计数

auto p = std::make_shared<int>(4);   
std::weak_ptr<int> wp(p);  

由于wp指向的对象可能不存在，我们不能使用weak_ptr直接访问对象，而必须调用lock。

此函数检查weak_ptr指向的对象是否存在。如果存在，lock返回一个指针指向共享对象的shared_ptr；否则返回一个空的shared_ptr。

if (std::shared_ptr<int> np = wp.lock())  // 如果np不为空则条件成立
{// np与p共享对象
}

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三、循环引用

3.1 循环引用

环引用是指两个或多个智能指针相互引用，形成一个闭环，导致它们都无法被释放，从而造成内存泄漏。循环引用通常发生在两个或多个对象之间存在相互依赖关系时，它们需要同时被释放。

下述代码就是循环引用的典型例子，a和b所指向的对象的引用计数永远不会为0，也就不会释放对象。

class B;
class A
{
public:std::shared_ptr<B> b_ptr;A() {std::cout << "A Constructor Called" << std::endl;};~A() {std::cout << "A Desstructor Called" << std::endl;};
};class B
{
public:std::shared_ptr<A> a_ptr;  //这里改成weak_ptr即可解决循环引用B() {std::cout << "B Constructor Called" << std::endl;};~B() {std::cout << "B Desstructor Called" << std::endl;};
};int main()
{ std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();std::cout << "a uses" << " " << a.use_count() << std::endl;   // 引用计数输出1std::cout << "b uses" << " " << b.use_count() << std::endl;   // 引用计数输出1a->b_ptr = b;b->a_ptr = a;std::cout << "a uses" << " " << a.use_count() << std::endl;   // 引用计数输出2std::cout << "b uses" << " " << b.use_count() << std::endl;   // 引用计数输出2std::cout << "Hello World!\n";
}

析构规定

在C++中，局部变量的析构顺序与它们的构造顺序相反。也就是说，最后构造的对象会首先被析构。这被称为栈解旋（stack unwinding）。

在C++中，当一个对象被销毁，其成员变量的析构函数会在该对象的析构函数之后被调用。也就是说，首先调用对象的析构函数，然后调用其成员变量的析构函数。确保了在对象的析构函数中，你仍然可以访问和操作其成员变量，因为它们此时还没有被销毁。

shared_ptr的析构函数会递减它所指向的对象的引用计数。如果引用计数变为0，shared_ptr的析构函数就会销毁对象，并释放它所占用的内存。

上述代码执行完毕，析构函数的调用情况以及引用计数变化情况的说明

①a 和 b 离开作用域之前

a和b->a_ptr指向A的同一个实例对象，该对象的引用计数为2
b和a->b_ptr指向B的同一个实例对象，该对象的引用计数为2

②b调用析构函数

a和b离开作用域时，b先调用析构函数，这会导致b指向对象的引用计数减1，但是，由于a->b_ptr指向同一个对象，所以b指向对象的引用计数仍然为1。

③b->a_ptr调用析构函数

因为b指向对象的引用计数不为0，故其其析构函数没有被执行，对象没有被销毁。这导致其成员变量b->a_ptr的析构函数也不会被调用(对象本身没有被销毁的话，其成员变量的析构函数不会被调用)，a指向对象的引用计数不变仍为2。

④a调用析构函数

a和b离开作用域时，b先调用析构函数，然后a调用析构函数，这会导致a指向对象的引用计数减1，但是，由于b->a_ptr也指向同一个对象，所以a指向对象的引用计数仍为1。

⑤a->b_ptr调用析构函数

因为a指向对象的引用计数不为0，故其析构函数没有被执行，对象没有被销毁。这导致其成员变量a->b_ptr的析构函数也不会被调用，b指向对象的引用计数不变仍为1。

最后对象a和b的引用计数都为1，不会销毁对象，释放内存，从而导致内存泄漏。

3.2 循环引用 解决方法

将B类中的shared_ptr改为weak_ptr，这样就可以打破循环引用，当a和b离开作用域时，它们的引用计数会变为0，析构函数会被调用，内存会被释放。

①a和b离开作用域之前

a指向A的一个实例对象，a指向对象的引用计数是1(b->a_ptr弱指针，引用计数不会加1)
b和a->b_ptr指向B的同一个实例对象b，对象b引用计数是2

②b调用析构函数

a和b离开作用域时，b先调用析构函数，这会导致b指向对象的引用计数减1，但是，由于a->b_ptr指向同一个对象，所以b指向对象的引用计数仍然为1。

③b->a_ptr调用析构函数

因为b指向对象的引用计数不为0，故其其析构函数没有被执行，对象没有被销毁。这导致其成员变量b->a_ptr的析构函数也不会被调用(对象本身没有被销毁的话，其成员变量的析构函数不会被调用)，a指向对象的引用计数不变仍为1。

④a调用析构函数

a和b离开作用域时，b先调用析构函数，然后a调用析构函数，这会导致a指向对象的引用计数减1。但因为b->a_ptr是弱指针，不会增加引用计数，所以a指向对象的引用计数变为0，会执行析构函数，销毁对象，释放内存。

⑤a->b_ptr调用析构函数

因为a指向对象的引用计数为0，故其析构函数被执行，对象被销毁。从而其成员变量a->b_ptr的析构函数也会被调用，b指向对象的引用计数递减也变为0，销毁对象，释放内存。

最后对象a和b的引用计数都为0，不会导致内存泄漏

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