C++智能指针弱引用升级临时共享所有权-C++-PHP中文网

答案：std::weak_ptr通过lock()方法实现弱引用到临时共享所有权的安全升级，解决循环引用、观察者模式和缓存管理中的对象生命周期问题。

c++智能指针弱引用升级临时共享所有权

C++智能指针中的弱引用（

std::weak_ptr

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）扮演着一个相当微妙但至关重要的角色。它本质上是一种非拥有型引用，允许你观察一个对象，却不影响它的生命周期。当我们需要临时地、安全地访问这个被观察对象时，

weak_ptr

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提供了一个名为

lock()

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的方法。这个方法就像一个“升级”机制，它会尝试将弱引用提升为一个共享指针（

std::shared_ptr

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），从而在那个短暂的时刻，为你提供对目标对象的临时共享所有权。如果对象还活着，你就能拿到一个有效的

shared_ptr

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；如果对象已经香消玉殒，那么

lock()

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会很诚实地返回一个空的

shared_ptr

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。这确保了我们永远不会通过一个悬空指针去访问内存，完美地解决了安全访问已销毁对象的问题。

解决方案

要实现C++智能指针弱引用到临时共享所有权的升级，核心就是利用

std::weak_ptr

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的

lock()

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成员函数。这个函数的设计理念非常直接：它尝试获取一个

std::shared_ptr

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，如果

weak_ptr

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所指向的对象仍然存在，那么

lock()

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会成功创建一个新的

shared_ptr

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，并增加对象的引用计数。这个新创建的

shared_ptr

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会在它自己的生命周期内确保对象的存活，从而赋予了我们对对象的“临时共享所有权”。一旦这个临时的

shared_ptr

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超出作用域，引用计数就会相应减少。

实际操作中，我们通常会这样使用它：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

class MyObject {
public:
    int id;
    MyObject(int i) : id(i) {
        std::cout << "MyObject " << id << " created." << std::endl;
    }
    ~MyObject() {
        std::cout << "MyObject " << id << " destroyed." << std::endl;
    }
    void doSomething() {
        std::cout << "MyObject " << id << " is doing something." << std::endl;
    }
};

void accessObject(std::weak_ptr<MyObject> weakObj) {
    // 尝试将弱引用升级为共享引用
    if (std::shared_ptr<MyObject> sharedObj = weakObj.lock()) {
        // 如果升级成功，说明对象还活着，可以安全访问
        std::cout << "Accessing object " << sharedObj->id << " via shared_ptr." << std::endl;
        sharedObj->doSomething();
    } else {
        // 如果升级失败，说明对象已被销毁
        std::cout << "Object no longer exists." << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::shared_ptr<MyObject> strongRef = std::make_shared<MyObject>(1);
    std::weak_ptr<MyObject> weakRef = strongRef; // weakRef 观察 strongRef 指向的对象

    std::cout << "\n--- First access attempt ---" << std::endl;
    accessObject(weakRef); // 对象存在，可以成功访问

    std::cout << "\n--- Resetting strong reference ---" << std::endl;
    strongRef.reset(); // 销毁对象，此时引用计数变为0

    std::cout << "\n--- Second access attempt ---" << std::endl;
    accessObject(weakRef); // 对象已销毁，访问失败

    // 另一个场景：创建对象后立即销毁，然后尝试访问
    std::cout << "\n--- Third access attempt (object already gone) ---" << std::endl;
    std::weak_ptr<MyObject> weakRef2;
    {
        std::shared_ptr<MyObject> tempStrongRef = std::make_shared<MyObject>(2);
        weakRef2 = tempStrongRef;
    } // tempStrongRef 超出作用域，MyObject(2) 被销毁

    accessObject(weakRef2); // 对象已销毁，访问失败

    return 0;
}

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这段代码清晰地展示了

lock()

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的工作方式：在

strongRef

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存在时，

accessObject

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函数能够成功获取

shared_ptr

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并操作对象；一旦

strongRef.reset()

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导致对象被销毁，

lock()

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就会返回

nullptr

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，从而避免了对已销毁内存的访问。这在我看来，是

weak_ptr

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最核心的价值体现之一。

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

C++中为什么需要

std::weak_ptr

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？它解决了哪些实际问题？

在我个人的编程实践中，

std::weak_ptr

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的存在绝非多余，它解决的是

std::shared_ptr

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无法单独应对的几种复杂场景，尤其是在处理对象生命周期管理时。最典型的，也是大家最常提到的，就是循环引用（Circular References）问题。想象一下，如果A对象拥有B对象，B对象又反过来拥有A对象，并且它们都用

shared_ptr

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来管理对方。那么，当外部对A和B的

shared_ptr

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都失效后，它们的引用计数永远不会降到零，导致内存泄漏。

weak_ptr

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的非拥有特性正好打破了这个僵局：让其中一方（比如B持有A的

weak_ptr

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）不参与所有权计数，这样当外部对A的引用全部消失时，A就能被正常销毁，进而解除B对A的“弱依赖”，最终B也能被销毁。

除了循环引用，

weak_ptr

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在观察者模式（Observer Pattern）中也扮演着不可替代的角色。一个被观察者（Subject）可能需要维护一个列表，里面装着所有观察者（Observer）的引用。如果被观察者持有

shared_ptr

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到观察者，那么即使某个观察者本应被销毁，被观察者也会“强行”让它存活。这显然不是我们希望的。使用

weak_ptr

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，被观察者可以“观察”观察者，而不会阻止观察者的销毁。当通知观察者时，被观察者会尝试

lock()

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每一个

weak_ptr

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。如果成功，说明观察者还活着，可以安全地进行通知；如果失败，则说明观察者已经自行销毁了，被观察者就可以将这个失效的

weak_ptr

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从列表中移除。这种机制让系统更加健壮和灵活。

再有，缓存管理也是

weak_ptr

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的一个绝佳用武之地。一个缓存系统可能需要存储大量对象，但又不希望这些缓存的对象因为被缓存而永远不被释放。如果缓存持有

shared_ptr

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，那么只要对象在缓存中，它就永远不会被销毁。使用

weak_ptr

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，缓存可以观察这些对象，当外部不再有

shared_ptr

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引用它们时，它们就可以被垃圾回收（或者说，被

shared_ptr

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机制销毁）。当缓存需要提供某个对象时，它会尝试

lock()

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对应的

weak_ptr

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。如果成功，说明对象仍在内存中，可以直接返回；如果失败，说明对象已被销毁，缓存可以认为该条目失效，需要重新加载或从缓存中移除。在我看来，这提供了一种非常优雅的“软引用”语义，让缓存能够智能地响应内存压力。

weak_ptr::lock()

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的内部机制与潜在风险

深入了解

weak_ptr::lock()

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的内部机制，有助于我们更好地理解它的行为和潜在的陷阱。当我第一次接触

shared_ptr

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和

weak_ptr

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的时候，我发现理解它们背后的控制块（Control Block）是关键。每个

shared_ptr

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或

weak_ptr

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指向的对象，都关联着一个控制块。这个控制块通常包含两个引用计数：一个是强引用计数（

use_count

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），由

shared_ptr

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管理；另一个是弱引用计数（

weak_count

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），由

weak_ptr

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管理。

当一个

std::weak_ptr

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调用

lock()

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方法时，它首先会原子地检查控制块中的强引用计数

use_count

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。如果

use_count

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大于零（意味着对象仍然存活），

lock()

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就会原子地递增

use_count

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，然后返回一个新的

std::shared_ptr

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，这个

shared_ptr

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指向原来的对象。如果

use_count

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已经为零（意味着对象已经被销毁），那么

lock()

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就会返回一个空的

std::shared_ptr

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。这里的“原子地”非常重要，它保证了在多线程环境下，即使在

lock()

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检查

use_count

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和递增

use_count

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之间，对象也不会被其他线程销毁，从而避免了竞争条件和数据不一致。

尽管

lock()

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的设计非常健壮，但使用不当仍可能引入一些潜在风险：

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误解“临时”的含义：
```
lock()
```
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返回的
```
shared_ptr
```
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提供的所有权是临时的，它的生命周期仅限于你获取到它的那个作用域。一旦这个临时的
```
shared_ptr
```
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超出作用域，它对对象的强引用计数就会减少。如果开发者忘记了这一点，可能会在某个地方持有
```
weak_ptr
```
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，然后在另一个地方
```
lock()
```
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得到
```
shared_ptr
```
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，但又期望这个
```
shared_ptr
```
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能长期保持对象的存活，这可能导致对象比预期更早地被销毁。正确的做法是，只有当你确实需要使用对象时才
```
lock()
```
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，并在使用完毕后让临时的
```
shared_ptr
```
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自然销毁。
```
expired()
```
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和
lock()
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的误用：有些开发者可能会先调用
```
weak_ptr::expired()
```
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来检查对象是否还存在，然后再决定是否调用
```
lock()
```
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。但这是一个典型的竞态条件（Race Condition）陷阱。因为在
```
expired()
```
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返回
```
false
```
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和你调用
```
lock()
```
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之间，另一个线程可能已经销毁了对象。正确的模式是直接调用
lock()
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，然后检查返回的
shared_ptr
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是否为空。
```
// 错误示范：存在竞态条件
if (!weakPtr.expired()) { // 对象可能在这里被销毁
    std::shared_ptr<MyObject> sp = weakPtr.lock(); // sp 可能为nullptr
    if (sp) { /* 使用sp */ }
}

// 正确示范：原子且安全
if (std::shared_ptr<MyObject> sp = weakPtr.lock()) {
    // 安全使用sp
} else {
    // 对象已销毁
}
```
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在我看来，这种“先检查后使用”的模式，在并发编程中是需要特别警惕的，
```
weak_ptr
```
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这里就是一个很好的例子。
性能开销： 虽然
```
lock()
```
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的操作是原子的，但它毕竟涉及到对共享控制块的原子操作和
```
shared_ptr
```
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对象的创建，这会带来一定的性能开销。在对性能极度敏感的场景下，如果能通过其他设计模式避免频繁的
```
weak_ptr::lock()
```
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，或许是更优的选择。但这通常是微优化，对于大多数应用来说，
```
lock()
```
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的开销是完全可以接受的，而且它带来的安全性收益远大于这点开销。

结合实际场景：如何优雅地使用弱引用升级？

在我看来，

weak_ptr

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的“升级”机制，也就是

lock()

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方法，是它真正发挥价值的关键。它让

weak_ptr

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从一个单纯的“观察者”变成了一个可以在必要时“暂时拥有”对象的参与者，而且这种参与是安全可控的。

观察者模式的优雅实现： 这是我最喜欢使用

weak_ptr::lock()

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的场景之一。设想一个事件系统，

Subject

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维护一个

std::vector<std::weak_ptr<Observer>>

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。当

Subject

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触发事件时，它会遍历这个向量：

void Subject::notifyObservers() {
    // 使用一个临时向量来避免在迭代时修改原始列表
    std::vector<std::weak_ptr<Observer>> activeObservers;
    for (auto& w_observer : observers_) {
        if (std::shared_ptr<Observer> s_observer = w_observer.lock()) {
            // 观察者还活着，安全通知
            s_observer->update();
            activeObservers.push_back(w_observer); // 重新添加到活跃列表中
        } else {
            // 观察者已销毁，无需处理，也不会被添加到 activeObservers
            std::cout << "An observer has been destroyed." << std::endl;
        }
    }
    observers_ = activeObservers; // 更新观察者列表，移除已失效的
}

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这种方式确保了我们只通知那些仍然存活的观察者，并且可以顺便清理掉那些已经失效的弱引用，保持列表的整洁。

树形结构中的父子引用： 在一个双向关联的树形结构中，子节点通常会持有父节点的引用。如果子节点持有父节点的

shared_ptr

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，就会形成循环引用。正确的做法是，子节点持有父节点的

weak_ptr

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。当子节点需要访问父节点时，它就

lock()

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这个

weak_ptr

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：

class Node {
public:
    std::shared_ptr<Node> left;
    std::shared_ptr<Node> right;
    std::weak_ptr<Node> parent; // 弱引用父节点

    void someMethod() {
        if (std::shared_ptr<Node> p = parent.lock()) {
            // 安全访问父节点
            std::cout << "My parent's ID is: " << p->id << std::endl;
        } else {
            std::cout << "I am a root node or my parent is gone." << std::endl;
        }
    }
    // ... 其他成员
};

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这完美地解决了树结构中的循环引用问题，同时又允许子节点在需要时向上访问父节点。

缓存管理中的失效检测： 前面也提到了缓存，这里再具体一点。一个缓存管理器可能存储了大量计算成本高昂的对象。

class CacheManager {
private:
    std::map<std::string, std::weak_ptr<ExpensiveObject>> cache_;

public:
    std::shared_ptr<ExpensiveObject> getObject(const std::string& key) {
        auto it = cache_.find(key);
        if (it != cache_.end()) {
            if (std::shared_ptr<ExpensiveObject> obj = it->second.lock()) {
                // 对象仍在内存中，直接返回
                std::cout << "Cache hit for " << key << std::endl;
                return obj;
            } else {
                // 对象已销毁，从缓存中移除
                std::cout << "Cache entry for " << key << " expired." << std::endl;
                cache_.erase(it);
            }
        }
        // 对象不在缓存或已过期，重新创建并放入缓存
        std::cout << "Cache miss for " << key << ", creating new object." << std::endl;
        std::shared_ptr<ExpensiveObject> newObj = std::make_shared<ExpensiveObject>(key);
        cache_[key] = newObj; // 存储弱引用
        return newObj;
    }
};

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这种模式让缓存变得“智能”：它不会强行阻止对象的销毁，但又能高效地提供已存活的对象。当外部不再需要某个对象时，它会自然销毁，缓存下次查询时就会发现它已失效，从而实现了一种自动的缓存清理机制。

在我看来，