自從 C++ 11 以來，boost 的智慧指標就被加入了 C++ 新標準之中。其中，廣為人知的 shared_ptr 被用的最多，以引用計數的方式來管理指標指向資源的生命週期。看起來有了智慧指標後，C++ 程式再也不用擔心記憶體洩漏了，就可以像 Java 一樣愉快的建立堆上物件了。但事實並非如此，C++ 的智慧指標和 Java 的引用實現原理上有本質的區別。在“迴圈引用”這個問題上，Java 可以很好地處理，而C++ 的智慧指標 shared_ptr 在處理“迴圈引用”時便捉襟見肘。

1-一次由於迴圈引用產生的記憶體洩漏

鄙人最近在寫實驗程式碼，正好使用了 shared_ptr 來管理記憶體，但批量執行實驗的時候發生了記憶體洩漏，導致我只跑了十幾組實驗程式便崩潰了。雖然可以將原來的 x86 改成 x64 擴大地址空間來解決這個問題，但終究不是長久之計，所以必須要解決之。抽取的程式碼如下：

class Node {
    Node(const Point &p);
    ...
private:
    shared_ptr<Node> neighbors;
};

這個程式碼寫得很自然，如果是寫 Java 程式自然沒什麼問題，但在使用引用計數的 C++ 智慧指標上便記憶體洩漏了。其中 shared_ptr<Node> neighbors; 這個宣告便是萬惡之源，在所有的 Node 物件建立完成之後，每個 Node 物件遍歷所有的 Node 的列表，在這個列表中找到自己的鄰居，並將它們的智慧指標加入到自己的鄰居表中，在此產生了迴圈引用。

2-解決方法

在懷疑 Bug 是因為 shared_ptr 導致的記憶體洩漏後，我寫了一個 Demo，測試了一下，發現也存在同樣的問題，可以確定確實是這個原因產生的記憶體洩漏。解決這個記憶體洩漏的方法就是使用 weak_ptr 來指向其鄰居，這樣不會增加引用計數，在需要訪問其指向變數的記憶體時使用 lock 方法獲得 shared_ptr 物件來訪問之。最後程式是這樣的：

class Node {
public:
    Node(const Point &p);
    ...
private:
    weak_ptr<Node> neighbors_;
};

class Simulator {
public:
    ...
 

private:
    shared_ptr<Node> sens_nodes_;
};

3-迴圈引用為什麼會導致記憶體洩漏

自智慧指標的原理說起，一個智慧指標在建立一個物件的時候初始化引用計數為 1，並把自己的指標指向建立的物件。但這個引用計數在何處？在智慧指標內部？非也，這個計數是一個單獨的物件來實現的，如圖1，當另外一個智慧指標指向這個物件的時候，便找到與這個物件對應的計數物件，並加一個引用，即 use_count++。這樣多個智慧指標物件便可以使用相同的引用計數。

而如果產生相互引用的情況，類似以下程式碼：

class Person {
public:
    ...
    shared_ptr<Person> best_friend;
};
Person pa = make_shared<Person>();
Person pb = make_shared<Person>();
pa->best_friend = pb;
pb->best_friend = pa;

即使 pa 和 pb 均離開作用域析構掉了，記憶體也不會釋放。為何？在 pa 離開作用域後，pa 這個只能指標物件實際上已經死亡了，但是 pa 所指向的物件並沒有死亡，因為此時 pb 中的一個只能指標指向了這個物件。在 pb 離開作用域後，pb 這個智慧指標實際上也完了，但是 pb 所指向的物件並沒有死亡，因為 pa 曾經指向的物件中還有著一個指向它的指標。最後，由於兩個物件儲存著指向對方的指標，它們的引用計數均為 1，導致了記憶體無法釋放。

在理解了智慧指標的實現原理和迴圈引用導致記憶體洩漏的原理後，使用 weak_ptr 這種不增加引用計數的弱指標便可以很好地解決這個問題。