智慧指標(三):weak_ptr淺析
前言
weak_ptr
這個指標天生一副“小弟”的模樣,也是在C++11的時候引入的標準庫,它的出現完全是為了彌補它老大shared_ptr
天生有缺陷的問題,其實相比於上一代的智慧指標auto_ptr
來說,新進老大shared_ptr
可以說近乎完美,但是通過引用計數實現的它,雖然解決了指標獨佔的問題,但也引來了引用成環的問題,這種問題靠它自己是沒辦法解決的,所以在C++11的時候將shared_ptr
和weak_ptr
一起引入了標準庫,用來解決迴圈引用的問題。
weak_ptr
本身也是一個模板類,但是不能直接用它來定義一個智慧指標的物件,只能配合shared_ptr
來使用,可以將shared_ptr
weak_ptr
,並且這樣並不會改變引用計數的值。檢視weak_ptr
的程式碼時發現,它主要有lock
、swap
、reset
、expired
、operator=
、use_count
幾個函式,與shared_ptr
相比多了lock
、expired
函式,但是卻少了get
函式,甚至連operator*
和 operator->
都沒有,可用的函式數量少的可憐,下面通過一些例子來了解一下weak_ptr
的具體用法。
使用環境
- VS2015 + Windows7(應該是C++11標準)
- 標頭檔案
#include <memory>
- 名稱空間
using namespace std;
測試過程
weak_ptr
解決shared_ptr
迴圈引用的問題
定義兩個類,每個類中又包含一個指向對方型別的智慧指標作為成員變數,然後建立物件,設定完成後檢視引用計數後退出,看一下測試結果:
class CB; class CA { public: CA() { cout << "CA() called! " << endl; } ~CA() { cout << "~CA() called! " << endl; } void set_ptr(shared_ptr<CB>& ptr) { m_ptr_b = ptr; } void b_use_count() { cout << "b use count : " << m_ptr_b.use_count() << endl; } void show() { cout << "this is class CA!" << endl; } private: shared_ptr<CB> m_ptr_b; }; class CB { public: CB() { cout << "CB() called! " << endl; } ~CB() { cout << "~CB() called! " << endl; } void set_ptr(shared_ptr<CA>& ptr) { m_ptr_a = ptr; } void a_use_count() { cout << "a use count : " << m_ptr_a.use_count() << endl; } void show() { cout << "this is class CB!" << endl; } private: shared_ptr<CA> m_ptr_a; }; void test_refer_to_each_other() { shared_ptr<CA> ptr_a(new CA()); shared_ptr<CB> ptr_b(new CB()); cout << "a use count : " << ptr_a.use_count() << endl; cout << "b use count : " << ptr_b.use_count() << endl; ptr_a->set_ptr(ptr_b); ptr_b->set_ptr(ptr_a); cout << "a use count : " << ptr_a.use_count() << endl; cout << "b use count : " << ptr_b.use_count() << endl; }
測試結果如下:
CA() called!
CB() called!
a use count : 1
b use count : 1
a use count : 2
b use count : 2
通過結果可以看到,最後CA
和CB
的物件並沒有被析構,其中的引用效果如下圖所示,起初定義完ptr_a
和ptr_b
時,只有①③兩條引用,然後呼叫函式set_ptr
後又增加了②④兩條引用,當test_refer_to_each_other
這個函式返回時,物件ptr_a
和ptr_b
被銷燬,也就是①③兩條引用會被斷開,但是②④兩條引用依然存在,每一個的引用計數都不為0,結果就導致其指向的內部物件無法析構,造成記憶體洩漏。
解決這種狀況的辦法就是將兩個類中的一個成員變數改為
weak_ptr
物件,因為weak_ptr
不會增加引用計數,使得引用形不成環,最後就可以正常的釋放內部的物件,不會造成記憶體洩漏,比如將CB
中的成員變數改為weak_ptr
物件,程式碼如下:
class CB
{
public:
CB() { cout << "CB() called! " << endl; }
~CB() { cout << "~CB() called! " << endl; }
void set_ptr(shared_ptr<CA>& ptr) { m_ptr_a = ptr; }
void a_use_count() { cout << "a use count : " << m_ptr_a.use_count() << endl; }
void show() { cout << "this is class CB!" << endl; }
private:
weak_ptr<CA> m_ptr_a;
};
測試結果如下:
CA() called!
CB() called!
a use count : 1
b use count : 1
a use count : 1
b use count : 2
~CA() called!
~CB() called!
通過這次結果可以看到,CA
和CB
的物件都被正常的析構了,引用關係如下圖所示,流程與上一例子相似,但是不同的是④這條引用是通過weak_ptr
建立的,並不會增加引用計數,也就是說CA
的物件只有一個引用計數,而CB
的物件只有2個引用計數,當test_refer_to_each_other
這個函式返回時,物件ptr_a
和ptr_b
被銷燬,也就是①③兩條引用會被斷開,此時CA
物件的引用計數會減為0,物件被銷燬,其內部的m_ptr_b
成員變數也會被析構,導致CB
物件的引用計數會減為0,物件被銷燬,進而解決了引用成環的問題。
- 測試
weak_ptr
對引用計數的影響
其實weak_ptr
本身設計的很簡單,就是為了輔助shared_ptr
的,它本身不能直接定義指向原始指標的物件,只能指向shared_ptr
物件,同時也不能將weak_ptr物件直接賦值給shared_ptr
型別的變數,最重要的一點是賦值給它不會增加引用計數:
void test1()
{
// 編譯錯誤 // error C2665: “std::weak_ptr<CA>::weak_ptr”: 3 個過載中沒有一個可以轉換所有引數型別
// weak_ptr<CA> ptr_1(new CA());
shared_ptr<CA> ptr_1(new CA());
cout << "ptr_1 use count : " << ptr_1.use_count() << endl; // 輸出:ptr_1 use count : 1
shared_ptr<CA> ptr_2 = ptr_1;
cout << "ptr_1 use count : " << ptr_1.use_count() << endl; // 輸出:ptr_1 use count : 2
cout << "ptr_2 use count : " << ptr_2.use_count() << endl; // 輸出:ptr_1 use count : 2
weak_ptr<CA> wk_ptr = ptr_1;
cout << "ptr_1 use count : " << ptr_1.use_count() << endl; // 輸出:ptr_1 use count : 2
cout << "ptr_2 use count : " << ptr_2.use_count() << endl; // 輸出:ptr_1 use count : 2
// 編譯錯誤
// error C2440 : “初始化”: 無法從“std::weak_ptr<CA>”轉換為“std::shared_ptr<CA>”
// shared_ptr<CA> ptr_3 = wk_ptr;
}
- 測試
weak_ptr
常用函式的用法
weak_ptr
中只有函式lock
和expired
兩個函式比較重要,因為它本身不會增加引用計數,所以它指向的物件可能在它用的時候已經被釋放了,所以在用之前需要使用expired
函式來檢測是否過期,然後使用lock
函式來獲取其對應的shared_ptr
物件,然後進行後續操作:
void test2()
{
shared_ptr<CA> ptr_a(new CA()); // 輸出:CA() called!
shared_ptr<CB> ptr_b(new CB()); // 輸出:CB() called!
cout << "ptr_a use count : " << ptr_a.use_count() << endl; // 輸出:ptr_a use count : 1
cout << "ptr_b use count : " << ptr_b.use_count() << endl; // 輸出:ptr_b use count : 1
weak_ptr<CA> wk_ptr_a = ptr_a;
weak_ptr<CB> wk_ptr_b = ptr_b;
if (!wk_ptr_a.expired())
{
wk_ptr_a.lock()->show(); // 輸出:this is class CA!
}
if (!wk_ptr_b.expired())
{
wk_ptr_b.lock()->show(); // 輸出:this is class CB!
}
// 編譯錯誤
// 編譯必須作用於相同的指標型別之間
// wk_ptr_a.swap(wk_ptr_b); // 呼叫交換函式
wk_ptr_b.reset(); // 將wk_ptr_b的指向清空
if (wk_ptr_b.expired())
{
cout << "wk_ptr_b is invalid" << endl; // 輸出:wk_ptr_b is invalid 說明改指標已經無效
}
wk_ptr_b = ptr_b;
if (!wk_ptr_b.expired())
{
wk_ptr_b.lock()->show(); // 輸出:this is class CB! 呼叫賦值操作後,wk_ptr_b恢復有效
}
// 編譯錯誤
// 編譯必須作用於相同的指標型別之間
// wk_ptr_b = wk_ptr_a;
// 最後輸出的引用計數還是1,說明之前使用weak_ptr型別賦值,不會影響引用計數
cout << "ptr_a use count : " << ptr_a.use_count() << endl; // 輸出:ptr_a use count : 1
cout << "ptr_b use count : " << ptr_b.use_count() << endl; // 輸出:ptr_b use count : 1
}
現象分析
引用計數的出現,解決了物件獨佔的問題,但是也帶來了迴圈引用的困擾,使用weak_ptr
可以打破這種迴圈,當你理不清引用關係的時候,不妨採用文中畫圖的方式來理一理頭緒,或許就會有眼前一亮的感覺。
總結
weak_ptr
雖然是一個模板類,但是不能用來直接定義指向原始指標的物件。weak_ptr
接受shared_ptr
型別的變數賦值,但是反過來是行不通的,需要使用lock
函式。weak_ptr
設計之初就是為了服務於shared_ptr
的,所以不增加引用計數就是它的核心功能。- 由於不知道什麼之後
weak_ptr
所指向的物件就會被析構掉,所以使用之前請先使用expired
函式檢測一下。