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深入理解 shared_ptr 与循环引用问题
引言
std::shared_ptr 是 C++11 标准库中引入的一种智能指针，它通过引用计数机制来管理动态分配的对象。当最后一个 shared_ptr 指向某个对象时，该对象会被自动销毁。然而，在某些情况下，shared_ptr 可能会导致循环引用问题，从而引发内存泄漏。本文将通过一个具体的例子来探讨 shared_ptr 的使用以及如何避免循环引用。
shared_ptr 基本用法
std::shared_ptr 提供了一种安全的方式来管理动态分配的内存。它通过引用计数来跟踪有多少个 shared_ptr 实例指向同一个对象。当引用计数降为零时，对象会被自动删除。
#include <iostream>#include <memory>using namespace std;class A;class B;// 定义类 Aclass A {public:A() { cout << "A()" << endl; }~A() { cout << "~A()" << endl; }shared_ptr<B> _ptrb;};// 定义类 Bclass B {public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() { cout << "~B()" << endl; }shared_ptr<A> _ptra;};int main() {// 创建 shared_ptr 指向 A 和 B 的实例shared_ptr<A> pa(new A());shared_ptr<B> pb(new B());// 形成循环引用pa->_ptrb = pb;pb->_ptra = pa;// 输出引用计数cout << "pa.use_count(): " << pa.use_count() << endl;cout << "pb.use_count(): " << pb.use_count() << endl;return 0;}运行结果解释
当你运行这段代码时，输出将会是：
A()B()pa.use_count(): 2pb.use_count(): 2
解释
构造函数调用:
首先创建了一个
A的实例，并打印出A()。然后创建了一个
B的实例，并打印出B()。
形成循环引用:
pa->_ptrb = pb;将pb赋值给pa中的_ptrb成员变量，这使得pa的引用计数增加到 2。pb->_ptra = pa;将pa赋值给pb中的_ptra成员变量，这使得pb的引用计数也增加到 2。
引用计数输出:
pa.use_count()返回 2，因为pa被main函数中的pa和pb->_ptra引用。pb.use_count()返回 2，因为pb被main函数中的pb和pa->_ptrb引用。
循环引用问题
在这个例子中，形成了一个循环引用：pa 持有对 pb 的引用，而 pb 又持有对 pa 的引用。这意味着即使 main 函数结束，pa 和 pb 的引用计数都不会减为 0，因此它们所指向的对象不会被释放，导致内存泄漏。
解决方案：使用 weak_ptr
为了避免这种情况，可以使用 std::weak_ptr 来打破循环引用。weak_ptr 不增加引用计数，但它可以观察 shared_ptr 所管理的对象。当需要访问对象时，可以通过 lock() 方法将其转换为 shared_ptr。
#include <iostream>#include <memory>using namespace std;class A;class B;// 定义类 Aclass A {public:A() { cout << "A()" << endl; }~A() { cout << "~A()" << endl; }void testA() { cout << "testA()" << endl; }shared_ptr<B> _ptrb;};// 定义类 Bclass B {public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() { cout << "~B()" << endl; }void func(){// 使用 weak_ptr 转换为 shared_ptr 进行安全访问shared_ptr<A> ps = _ptra.lock(); // 提升方法if (ps != nullptr){ps->testA();}}weak_ptr<A> _ptra;};int main() {// 创建 shared_ptr 指向 A 和 B 的实例shared_ptr<A> pa(new A());shared_ptr<B> pb(new B());// 形成非循环引用pa->_ptrb = pb;pb->_ptra = pa;// 调用 B 的 func 方法，间接调用 A 的 testA 方法pb->func();// 输出引用计数cout << "pa.use_count(): " << pa.use_count() << endl;cout << "pb.use_count(): " << pb.use_count() << endl;return 0;}运行结果
A()B()testA()pa.use_count(): 1pb.use_count(): 2~A()~B()
解释
A()和B()分别表示A和B构造函数被调用。testA()表示成功调用了A的testA()方法。pa.use_count(): 1表示pa只被main函数中的pa引用。pb.use_count(): 2表示pb被main函数中的pb和pa->_ptrb观察。当
main函数结束时，pa和pb的引用计数都会降为 0，对象会被正确销毁。
其他解决方案
除了使用 weak_ptr 外，还有其他方法可以解决循环引用问题：
手动解除引用: 在适当的时候手动将
shared_ptr设置为nullptr，以打破循环引用。pa->_ptrb.reset();pb->_ptra.reset();
设计模式调整: 重新设计数据结构，避免形成循环引用。例如，可以使用观察者模式或其他设计模式来替代直接的双向引用。
使用原始指针: 在某些情况下，如果可以确保生命周期管理得当，可以使用原始指针来代替
shared_ptr。但这需要非常小心，以避免悬空指针等问题。
总结
std::shared_ptr 是一种强大的工具，但在使用时需要注意循环引用问题。通过使用 std::weak_ptr，可以有效地打破循环引用，避免内存泄漏。在设计复杂的数据结构时，合理使用 shared_ptr 和 weak_ptr 是非常重要的。此外，还可以通过手动解除引用或调整设计模式来解决循环引用问题。选择合适的方法取决于具体的应用场景和需求。在处理循环引用问题时，使用 std::shared_ptr 来声明对象的所有权，并使用 std::weak_ptr 来表示非拥有关系是一种常见的策略。这样可以避免由于循环引用导致的内存泄漏问题。
让我们通过一个完整的示例来展示如何实现这一点。我们将定义两个类 A 和 B，其中 A 持有一个指向 B 的 shared_ptr，而 B 持有一个指向 A 的 weak_ptr。此外，我们将在 B 类中演示如何安全地访问 A 对象的方法。
完整代码示例
#include <iostream>#include <memory>using namespace std;class A;class B;// 定义类 Aclass A {public:A() { cout << "A()" << endl; }~A() { cout << "~A()" << endl; }void testA() { cout << "testA()" << endl; }shared_ptr<B> _ptrb;};// 定义类 Bclass B {public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() { cout << "~B()" << endl; }void func(){// 使用 weak_ptr 转换为 shared_ptr 进行安全访问shared_ptr<A> ps = _ptra.lock(); // 提升方法if (ps != nullptr){ps->testA();}}weak_ptr<A> _ptra;};int main() {// 创建 shared_ptr 指向 A 和 B 的实例shared_ptr<A> pa(new A());shared_ptr<B> pb(new B());// 形成非循环引用pa->_ptrb = pb;pb->_ptra = pa;// 调用 B 的 func 方法，间接调用 A 的 testA 方法pb->func();// 输出引用计数cout << "pa.use_count(): " << pa.use_count() << endl;cout << "pb.use_count(): " << pb.use_count() << endl;return 0;}代码解释
类定义:
A类包含一个shared_ptr<B>成员变量_ptrb，表示A拥有对B的所有权。B类包含一个weak_ptr<A>成员变量_ptra，表示B不拥有对A的所有权，只是引用。
B::func()方法:在
func()方法中，我们首先使用_ptra.lock()将weak_ptr转换为shared_ptr。然后检查转换后的
shared_ptr是否为空（即A对象是否仍然存在）。如果
A对象存在，则调用其testA()方法。
主函数:
创建
A和B的shared_ptr实例pa和pb。设置
pa->_ptrb = pb和pb->_ptra = pa，形成非循环引用。调用
pb->func()方法，间接调用A的testA()方法。输出
pa和pb的引用计数。
运行结果解释
当你运行这段代码时，输出将会是：
A()B()testA()pa.use_count(): 1pb.use_count(): 2~A()~B()
解释
A()和B()分别表示A和B构造函数被调用。testA()表示成功调用了A的testA()方法。pa.use_count(): 1表示pa只被main函数中的pa引用。pb.use_count(): 2表示pb被main函数中的pb和pa->_ptrb引用。~A()和~B()分别表示A和B析构函数被调用，表明对象被正确销毁。
总结
通过将 shared_ptr 用于声明对象的所有权，并使用 weak_ptr 来表示非拥有关系，我们可以有效地避免循环引用问题。在需要访问 weak_ptr 所指向的对象时，可以通过 lock() 方法将其转换为 shared_ptr，并进行空指针检查以确保安全访问。这种方法不仅解决了内存泄漏问题，还保持了代码的清晰和可维护性。