C++weak_ptr观察对象而不增加引用-C++-PHP中文网

c++weak_ptr观察对象而不增加引用

weak_ptr

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在C++中扮演了一个非常独特的角色：它允许你“盯着”一个由

shared_ptr

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管理的对象，却完全不参与到这个对象的生命周期管理中去。简单来说，它不会增加对象的引用计数。这意味着，当所有

shared_ptr

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都不再指向那个对象时，即便还有

weak_ptr

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在看着它，对象也会被干净利落地销毁。

weak_ptr

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就像一个不持股的股东，只在公司还存在的时候，能看看它的运营情况，一旦公司破产清算，它也跟着失效，不会阻止公司的倒闭。

C++ weak_ptr

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的设计初衷，在我看来，就是为了解决

shared_ptr

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带来的一个潜在的“甜蜜的负担”——循环引用。当两个或多个对象互相持有对方的

shared_ptr

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时，它们的引用计数永远不会降到零，导致它们永远不会被销毁，最终造成内存泄漏。

weak_ptr

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正是为了打破这种僵局而生。它提供了一种非拥有（non-owning）的引用机制。一个

weak_ptr

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可以从一个

shared_ptr

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构造出来，它指向同一个对象，但并不会增加对象的引用计数。

要访问

weak_ptr

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所指向的对象，你必须通过它的

lock()

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方法。这个方法会尝试将

weak_ptr

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提升（promote）为一个

shared_ptr

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。如果对象仍然存在（即至少还有一个

shared_ptr

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在管理它），

lock()

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会成功返回一个有效的

shared_ptr

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，并且这个临时的

shared_ptr

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会增加对象的引用计数，确保在你使用它的这段时间内，对象不会被销毁。如果对象已经被销毁了，

lock()

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就会返回一个空的

shared_ptr

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。所以，在使用

weak_ptr

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时，总要记得检查

lock()

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的返回值是否为空，这是安全访问的关键一步。

weak_ptr

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到底解决了C++智能指针的什么痛点？

在我看来，

weak_ptr

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主要解决了

shared_ptr

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在处理复杂对象关系时可能出现的“死锁”——也就是我们常说的循环引用。想象一下，你有一个

Parent

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类和一个

Child

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类。如果

Parent

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拥有

Child

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的

shared_ptr

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，而

Child

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也拥有

Parent

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的

shared_ptr

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，那么当它们各自的

shared_ptr

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都超出作用域时，它们的引用计数永远不会降到零，因为它们互相持有对方的强引用。这会导致内存泄漏，这些对象永远不会被析构。

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

weak_ptr

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在这里就扮演了“救星”的角色。我们可以让

Parent

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持有

Child

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的

shared_ptr

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（这是强拥有关系，合情合理），但让

Child

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持有

Parent

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的

weak_ptr

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。这样，

Child

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可以观察到它的

Parent

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，并在

Parent

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还活着的时候访问它，但

Child

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的存活与否并不会影响

Parent

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的生命周期。当

Parent

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的所有

shared_ptr

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都释放后，它就会被销毁，此时

Child

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持有的

weak_ptr

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就会失效。这种设计完美地打破了循环引用，确保了内存能够被正确回收。除了循环引用，

weak_ptr

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还在一些需要“非拥有”引用的场景中大放异彩，比如缓存机制或者观察者模式，这些我会在后面详细聊聊。

如何安全地从

weak_ptr

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访问被观察对象？

lock()

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方法的工作原理是什么？

从

weak_ptr

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安全地访问被观察对象，核心就是使用它的

lock()

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方法。这是唯一“合法”的途径。你不能直接解引用

weak_ptr

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，它没有提供

operator*

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或

operator->

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。这本身就是一种设计上的强制，提醒你它不是一个普通的指针。

雾象

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lock()

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方法的工作原理其实挺巧妙的。当你调用

weak_ptr::lock()

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时，它会原子性地检查它所观察的对象是否仍然存在（即是否有至少一个

shared_ptr

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还在管理这个对象）。

如果对象仍然存在：
```
lock()
```
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会立即创建一个新的
```
shared_ptr
```
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并返回。这个新的
```
shared_ptr
```
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会增加对象的引用计数。这意味着，即使在
```
lock()
```
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返回之后，所有原始的
```
shared_ptr
```
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都消失了，只要你持有的这个由
```
lock()
```
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返回的
```
shared_ptr
```
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还在，对象就不会被销毁。它为你的操作提供了一个临时的“生命周期保障”。
如果对象已经被销毁：
```
lock()
```
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会返回一个空的
```
shared_ptr
```
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（即
```
nullptr
```
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）。这表明你观察的对象已经不存在了，此时你不应该尝试访问它。

因此，安全访问的范式总是这样的：

std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = ...; // 从某个shared_ptr初始化

if (auto sharedPtr = weakPtr.lock()) {
    // 对象仍然存在，可以安全地通过 sharedPtr 访问 MyClass 的成员
    sharedPtr->doSomething();
    // 在这个 if 块内，sharedPtr 确保了对象的存活
} else {
    // 对象已经不存在了，或者说，它已经被销毁了
    std::cout << "对象已失效或被销毁。" << std::endl;
}

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这种模式非常重要，因为它避免了经典的“use-after-free”错误。

lock()

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操作本身是线程安全的，但在多线程环境下，一旦你获得了

shared_ptr

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，对底层对象的进一步操作（尤其是修改）仍然需要你自行处理同步问题。

lock()

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只保证了对象的存在性，不保证其内部状态的线程安全。

在实际项目中，哪些场景是

weak_ptr

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的典型应用？有没有一些容易踩的坑？

在实际的项目开发中，

weak_ptr

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的应用场景远不止打破循环引用那么简单，它在一些特定设计模式中简直是不可或缺的。

典型应用场景：

打破循环引用： 这个前面已经提过了，是
```
weak_ptr
```
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最核心的用武之地。例如，在双向链表或图结构中，如果节点之间互相持有
```
shared_ptr
```
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，就会出现循环引用。通过让其中一个方向的指针使用
```
weak_ptr
```
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，可以优雅地解决这个问题。
缓存机制： 想象一个缓存系统，你希望缓存中的对象在还有其他地方强引用它们时保留，但一旦没有强引用，它们就应该被清理掉。
```
weak_ptr
```
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非常适合这个场景。缓存可以存储指向这些对象的
```
weak_ptr
```
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。当需要从缓存中获取对象时，先尝试
```
lock()
```
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这个
```
weak_ptr
```
登录后复制
。如果
```
lock()
```
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成功，说明对象还活着，可以返回一个
```
shared_ptr
```
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供调用者使用；如果
```
lock()
```
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失败，说明对象已被销毁，缓存就可以清理掉这个失效的
```
weak_ptr
```
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条目。
观察者模式/事件系统： 在观察者模式中，观察者（Observer）通常会注册到被观察者（Subject）上。如果被观察者持有观察者的
```
shared_ptr
```
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，那么当观察者不再需要时，它可能无法被销毁，因为被观察者还在持有它。反过来，如果观察者持有被观察者的
```
shared_ptr
```
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，那又可能导致被观察者无法销毁。最好的方式是被观察者持有观察者的
```
weak_ptr
```
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。这样，被观察者不会阻止观察者被销毁，同时在通知观察者时，可以通过
```
lock()
```
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检查观察者是否仍然存活。
大型对象图的弱引用： 在一些复杂的、由大量对象构成的系统中，有时需要在一个对象内部引用另一个对象，但这种引用不应该影响被引用对象的生命周期。
```
weak_ptr
```
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提供了一种轻量级的、非侵入性的引用方式。

容易踩的坑：

忘记调用
lock()
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：这是最常见的错误。
```
weak_ptr
```
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本身不能直接解引用。很多新手会误以为它像原始指针一样可以直接
```
*weakPtr
```
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或
```
weakPtr->member
```
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，这是不行的，编译就会报错。你必须通过
```
lock()
```
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获取一个
```
shared_ptr
```
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才能进行操作。
不检查
lock()
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的返回值：获取到
```
shared_ptr
```
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后，一定要检查它是否为空。如果不检查，直接对一个空的
```
shared_ptr
```
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进行解引用操作，就会导致运行时错误（通常是段错误）。这是
```
weak_ptr
```
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最危险的地方之一，因为它允许对象在任何时候失效。
误以为
weak_ptr
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能延长对象的生命周期：
```
weak_ptr
```
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的设计哲学就是“不拥有”。它绝不会增加引用计数，因此也绝不会延长对象的生命周期。它只是一个旁观者。如果你需要确保对象在某个操作期间存活，你必须通过
```
lock()
```
登录后复制
获取一个
```
shared_ptr
```
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，并持有它。
在多线程环境中对
lock()
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返回的
shared_ptr
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所指对象进行非原子操作：
```
lock()
```
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本身是线程安全的，它会原子地获取
```
shared_ptr
```
登录后复制
。但是，一旦你获取到了
```
shared_ptr
```
登录后复制
，对它所指向的底层对象的访问（尤其是写操作）仍然需要你自行处理线程同步。
```
shared_ptr
```
登录后复制
和
```
weak_ptr
```
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只管理引用计数和对象的生命周期，不管理底层数据的并发访问。
过度使用或滥用
weak_ptr
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：并不是所有非拥有引用都需要
```
weak_ptr
```
登录后复制
。如果一个对象的生命周期完全由另一个对象控制，并且没有循环引用的风险，那么一个原始指针或引用可能更简单、性能更好。
```
weak_ptr
```
登录后复制
引入了额外的开销（原子操作、控制块），应该在确实需要其特定语义时才使用。