C++weak_ptr实现对象生命周期监控-C++-PHP中文网

weak_ptr通过lock()方法监控对象生命周期，解决循环引用和内存泄漏问题，在缓存、观察者模式、父子结构等场景中实现安全的非拥有性引用，确保对象销毁后访问可控。

c++weak_ptr实现对象生命周期监控

C++ weak_ptr

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通过提供一种非拥有性引用，允许我们观察由

shared_ptr

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管理的对象生命周期。当所有

shared_ptr

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实例都销毁，对象被释放后，

weak_ptr

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会“感知”到这一点，并在尝试访问时返回空，从而实现对对象存活状态的监控。这在需要打破循环引用或避免悬空指针风险的场景下，简直是设计模式中的一把利器。

解决方案

要实现

C++ weak_ptr

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的对象生命周期监控，核心在于理解

weak_ptr

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与

shared_ptr

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之间的协作机制。

weak_ptr

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本身不参与对象的引用计数，它只是一个“旁观者”。当你从一个

shared_ptr

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创建一个

weak_ptr

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时，它会指向同一个控制块，但不会增加引用计数。这意味着，即使有多个

weak_ptr

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指向一个对象，只要所有

shared_ptr

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都消失了，对象就会被销毁。

监控的关键在于

weak_ptr::lock()

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方法。当你想要安全地访问

weak_ptr

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所指向的对象时，应该调用

lock()

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。这个方法会尝试创建一个

shared_ptr

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。如果对象仍然存活（即至少有一个

shared_ptr

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仍在管理它），

lock()

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就会成功返回一个有效的

shared_ptr

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，你可以通过这个

shared_ptr

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安全地访问对象。如果对象已经被销毁（所有

shared_ptr

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都已失效），

lock()

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会返回一个空的

shared_ptr

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。通过检查

lock()

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返回的

shared_ptr

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是否为空，我们就能准确判断对象是否还“活着”。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

class MyObject {
public:
    std::string name;
    MyObject(const std::string& n) : name(n) {
        std::cout << "MyObject " << name << " created." << std::endl;
    }
    ~MyObject() {
        std::cout << "MyObject " << name << " destroyed." << std::endl;
    }
    void doSomething() {
        std::cout << "MyObject " << name << " is doing something." << std::endl;
    }
};

void monitor_object(std::weak_ptr<MyObject> weak_obj) {
    if (auto shared_obj = weak_obj.lock()) {
        std::cout << "  [Monitor] Object " << shared_obj->name << " is still alive." << std::endl;
        shared_obj->doSomething();
    } else {
        std::cout << "  [Monitor] Object has been destroyed." << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::cout << "--- Phase 1: Object is alive ---" << std::endl;
    std::shared_ptr<MyObject> obj_ptr = std::make_shared<MyObject>("DataA");
    std::weak_ptr<MyObject> weak_obj_ptr = obj_ptr;

    monitor_object(weak_obj_ptr); // 此时对象存活

    std::cout << "\n--- Phase 2: Reset shared_ptr ---" << std::endl;
    obj_ptr.reset(); // 释放shared_ptr，对象被销毁

    monitor_object(weak_obj_ptr); // 此时对象已销毁

    std::cout << "\n--- Phase 3: Another object ---" << std::endl;
    {
        auto another_obj_ptr = std::make_shared<MyObject>("DataB");
        std::weak_ptr<MyObject> another_weak_ptr = another_obj_ptr;
        monitor_object(another_weak_ptr);
    } // another_obj_ptr 在这里离开作用域，对象被销毁
    monitor_object(std::weak_ptr<MyObject>(nullptr)); // 传递一个空的weak_ptr

    return 0;
}

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这段代码清晰地展示了

weak_ptr

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如何通过

lock()

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方法来判断并安全访问一个对象。当

shared_ptr

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还存在时，

lock()

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能获取到有效的

shared_ptr

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；一旦

shared_ptr

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消失，对象被销毁，

lock()

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就会返回空。

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

为什么

weak_ptr

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能有效避免内存泄漏？

说白了，

weak_ptr

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在避免内存泄漏方面的作用，主要体现在它能够漂亮地解决“循环引用”这个老大难问题。我们都知道，

shared_ptr

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通过引用计数来管理对象的生命周期。当所有指向某个对象的

shared_ptr

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都销毁了，引用计数归零，对象自然就被释放了。但想象一下，如果对象A持有一个指向对象B的

shared_ptr

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，同时对象B又持有一个指向对象A的

shared_ptr

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，这就像两个人互相抓着对方的衣领，谁也不肯放手。

在这种情况下，即使外部已经没有任何

shared_ptr

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指向A或B，它们的内部引用计数却永远无法降到零。因为A的

shared_ptr

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持有B，B的

shared_ptr

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持有A，它们各自的引用计数至少为1。结果就是，A和B都无法被销毁，它们占用的内存也就永远无法释放，这就造成了经典的内存泄漏。

weak_ptr

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的出现，就是为了打破这种僵局。它提供了一种“观察者”的角色，它指向对象，但不增加对象的引用计数。如果我们把循环引用中的一个

shared_ptr

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替换成

weak_ptr

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，比如让对象A持有对象B的

shared_ptr

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，而对象B持有对象A的

weak_ptr

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。这样一来，A的生命周期依然由B的

shared_ptr

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影响（如果B是唯一的拥有者），但A的生命周期不再反过来影响B。当外部对A的

shared_ptr

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全部失效时，A的引用计数归零，A就会被销毁。A销毁后，B持有的那个

weak_ptr

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自然也就“过期”了，B就能感知到A已经不在了。这样一来，循环的链条就被斩断，两个对象都能在适当的时候被正确销毁，避免了内存泄漏。我个人觉得，这简直是处理复杂对象图关系时的救星。

在哪些实际场景中，

weak_ptr

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的生命周期监控功能至关重要？

weak_ptr

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的生命周期监控能力，在很多实际的、复杂的C++应用中都扮演着不可或缺的角色。它不仅仅是解决循环引用的工具，更是构建健壮、灵活系统的重要基石。

首先，缓存系统。想象一个图片缓存或者数据缓存，它存储了大量可能被程序其他部分使用的对象。如果缓存直接持有这些对象的

shared_ptr

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，那么即使其他所有地方都不再使用某个图片，缓存也会因为持有

shared_ptr

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而阻止该图片被释放。这会导致缓存无限增长，最终耗尽内存。正确的做法是，缓存应该持有

weak_ptr

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。当其他部分不再需要某个图片时，它的

shared_ptr

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就会被释放，图片对象自然销毁。缓存下次尝试访问时，通过

weak_ptr::lock()

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发现图片已不存在，便可以安全地将其从缓存中移除，避免了存储已失效数据的开销。

其次，观察者模式或事件系统。在UI编程或事件驱动架构中，一个“主题”（Subject）可能需要通知多个“观察者”（Observer）某个事件发生了。如果主题直接持有观察者的

shared_ptr

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，那么即使观察者本身已经不再需要，主题也会阻止它被销毁。这同样会导致内存泄漏。使用

weak_ptr

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，主题可以安全地持有观察者的引用。当观察者自行销毁后，主题在遍历观察者列表时，通过

weak_ptr::lock()

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就能发现哪些观察者已经失效，从而将其从通知列表中移除。这让观察者能够独立于主题管理自己的生命周期。

再者，父子或层级结构。例如，在游戏引擎的场景图或UI控件树中，父节点通常会拥有子节点的

shared_ptr

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，这很合理。但子节点可能也需要访问它的父节点（例如，为了获取全局坐标或查找兄弟节点）。如果子节点也持有父节点的

shared_ptr

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，那就又形成了循环引用。这时，子节点持有父节点的

weak_ptr

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就是完美的解决方案。子节点可以通过

weak_ptr

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安全地访问父节点，而不会影响父节点的生命周期。如果父节点被销毁了，子节点也能感知到，并做出相应处理。

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最后，资源管理器。有时我们会有一些昂贵的资源（如数据库连接、网络套接字），它们可能被多个模块共享。一个中央的资源管理器可能持有这些资源的

shared_ptr

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。而各个模块在使用这些资源时，如果只是需要临时访问而不希望延长其生命周期，就可以从资源管理器那里获取一个

weak_ptr

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。这样，当资源管理器决定释放某个资源时（例如，因为长时间未使用或系统负载过高），各个模块的

weak_ptr

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就会感知到资源已经失效，从而避免了对已释放资源的访问。

这些场景都突出了一点：

weak_ptr

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提供了一种“软引用”机制，它允许我们建立引用关系，但这种关系不会阻止对象的销毁。这在设计复杂、动态的系统时，提供了极大的灵活性和安全性。

weak_ptr

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和

shared_ptr

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之间如何安全转换与协作？

weak_ptr

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和

shared_ptr

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的协作是C++智能指针设计哲学中一个非常精妙的部分，它提供了一种既能共享所有权又能安全观察的机制。它们之间的转换与协作，主要围绕着

lock()

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方法展开。

首先，

weak_ptr

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的创建。一个

weak_ptr

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通常是从一个

shared_ptr

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或者另一个

weak_ptr

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构造出来的。例如：

std::shared_ptr<MyObject> s_ptr = std::make_shared<MyObject>("Initial");
std::weak_ptr<MyObject> w_ptr1 = s_ptr; // 从shared_ptr创建
std::weak_ptr<MyObject> w_ptr2 = w_ptr1; // 从另一个weak_ptr创建

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需要注意的是，

weak_ptr

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不能直接从原始指针或

unique_ptr

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创建。它必须依附于一个已经由

shared_ptr

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管理的资源。

其次，从

weak_ptr

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到
shared_ptr
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的安全转换。这是

weak_ptr

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最核心的用法。由于

weak_ptr

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不拥有对象，它指向的对象随时可能被销毁。因此，直接解引用

weak_ptr

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是不安全的。为了安全地访问对象，我们必须将其“升级”为一个

shared_ptr

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。这个过程是通过

lock()

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方法完成的：

std::weak_ptr<MyObject> weak_obj_ptr = ...; // 假设已经有一个weak_ptr

if (auto shared_obj = weak_obj_ptr.lock()) {
    // 如果lock()成功，shared_obj现在是一个有效的shared_ptr
    // 并且在此作用域内，它会增加对象的引用计数，确保对象不会被销毁
    shared_obj->doSomething();
    std::cout << "Successfully locked and accessed object: " << shared_obj->name << std::endl;
} else {
    // lock()返回空，说明对象已经被销毁
    std::cout << "Failed to lock: object has been destroyed." << std::endl;
}

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这里

lock()

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方法的返回值是一个

shared_ptr

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。如果对象仍然存活，它会返回一个指向该对象的

shared_ptr

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，这会暂时增加对象的引用计数，保证在当前

shared_ptr

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的作用域内对象不会被意外销毁。如果对象已经销毁，

lock()

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会返回一个空的

shared_ptr

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。这种模式是使用

weak_ptr

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进行生命周期监控的标准且安全的方式。

再次，

expired()

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方法。

weak_ptr

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还有一个

expired()

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方法，它返回一个布尔值，指示它所指向的对象是否已经被销毁。

if (weak_obj_ptr.expired()) {
    std::cout << "Object is already expired." << std::endl;
} else {
    std::cout << "Object is not expired yet." << std::endl;
}

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然而，