第22课 weak_ptr弱引用智能指针

一. weak_ptr的概况

（一）weak_ptr的创建

　　1. 直接初始化：weak_ptr<T> wp(sp); //其中sp为shared_ptr类型

　　2. 赋值： wp1 = sp; //其中sp为shared_ptr类型

  　　　　　　wp2 = wp1; //其中wp1为weak_ptr类型

（二）常用操作

　　1. use_count()：获取当前控制块中资源的强引用计数。

　　2. expired()：判断所观测的资源是否失效（即己经被释放），即use_count是否为0。

  　　（1）shared_ptr<int> sp1 = wp.lock();//如果wp失效,则sp为空（其中wp为weak_ptr类型）

  　　（2）shared_ptr<int> sp2(wp); //如果wp失效，则抛std::bad_weak_ptr异常。

　　3. lock()：获取所监视资源的shared_ptr，如shared_ptr<int> sp = wp.lock(); //wp为weak_ptr类型。

　　4. reset()：重置weak_ptr，影响弱引用计数。

（三）注意事项

　　1. weak_ptr不是独立的智能指针，它是shared_ptr的助手，只是监视shared_ptr管理的资源是否释放，不会影响强引用计数，不能管理资源。

　　2.weak_ptr没有重载操作符*和->，因为它不共享指针，不能操作资源。

　　3.weak_ptr主要用来代替可能空悬的shared_ptr。

【编程实验】weak_ptr初体验

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

int main()
{
    auto sp1 = make_shared<int>(10);
    weak_ptr<int> wp(sp1);  //通过shared_ptr初始化
    weak_ptr<int> wp1, wp2;
    wp1 = sp1;   //利用shared_ptr来赋值
    wp2 = wp;    //利用weak_ptr赋值
    auto sp2 = wp2.lock(); //sp2为shared_ptr类型

    sp1 = nullptr;

    cout << wp2.use_count() << endl; //1，强引用计数
    return 0;
}

二. weak_ptr的应用

（一）缓存对象

　　1. 考虑一个工厂函数loadWidget，该函数基于唯一ID来创建一些指向只读对象的智能指针。

　　2. 假设该只读对象需要被频繁使用，而且经常需要从文件或数据库中加载。那么可以考虑将对象缓存起来。同时为了避免过量缓存，当不再使用时，则将该对象删除。

　　3. 由于带缓存，工厂函数返回unique_ptr类型显然不合适。因为调用者和缓存管理器均需要一个指向这些对象的指针。

　　4. 当用户用完工厂函数返回的对象后，该对象会被析构，此时相应的缓存条目将会空悬。因为可以考虑将工厂函数的返回值设定为shared_ptr类型，而缓存类型为weak_ptr类型。

（二）观察者模式

   1. 观察者模式是在subject状态发生改变时，通知观察者的一种设计模式。

   2. 在多数实现中，每个subject持有指向观察者的指针，这使得当subject状态改变时可以很容易通知观察者。

   3. subject不会控制其观察者的生存期，因此应该是持有观察者的weak_ptr指针。同时在subject的使用某个指针时，可以先确定是否空悬。

（三）解决循环引用

  

　　1. A、B、C三个对象的数据结构中，A和C共享B的所有权，因此各持有一个指向B的std::shared_ptr;

　　2. 假设有一个指针从B指回A（即上图中的红色箭头），则该指针的类型应为weak_ptr，而不能是裸指针或shared_ptr，原因如下：

　　　①假如是裸指针，当A被析构时，由于C仍指向B，所以B会被保留。但B中保存着指向A的空悬指针（野指针），而B却检测不出来，但解引用该指针时会产生未定义行为。

　　　②假如是shared_ptr时。由于A和B相互保存着指向对方的shared_ptr，此时会形成循环引用，从而阻止了A和B的析构。

　　　③假如是weak_ptr，这可以避免循环引用。假设A被析构，那么B的回指指针会空悬，但B可以检测到这一点，同时由于该指针是weak_ptr，不会影响A的强引用计数，因此当shared_ptr不再指向A时，不会阻止A的析构。

（四）监视this智能指针：见《第21课》中的enable_shared_from_this，其中的weak_this_指针即为weak_ptr类型，用于监视this指针。

【编程实验】weak_ptr的使用

#include <iostream>
#include <memory> //for smart pointer
#include <unordered_map> //for unordered_map
#include <set>

using namespace std;

class Widget
{
public:
    Widget(int id):ID(id){}
    
    int ID;
};

//1. 利用weak_ptr来缓存对象
//模拟从数据库中加载，并创建shared_ptr指向widget对象
shared_ptr<Widget> loadWidget(int WidgetID)
{
    return make_shared<Widget>(WidgetID); 
}

//带缓存的工厂函数
std::shared_ptr<const Widget> fastloadWidget(int WidgetID) //返回shared_ptr类型
{
    //缓存：weak_ptr类型
    static std::unordered_map<int, std::weak_ptr<const Widget>> cache;

    auto objPtr = cache[WidgetID].lock(); //objPtr的类型为shared_ptr，指向缓存的对象

    if (!objPtr) { //如果对象不在缓存中. 这里省略了缓存中因失效而不断累积std::weak_ptr的处理。
        objPtr = loadWidget(WidgetID);
        cache[WidgetID] = objPtr;
    }

    return objPtr;
}

//2. 观察者模式
//2.1 观察者
class WeatherObservers //抽象观察者
{
public:
    virtual void updateWeatherInfo(int num) = 0;
};
//机场：具体观察者
class Airport : public WeatherObservers
{
public:
    void updateWeatherInfo(int num) override
    {
        std::cout <<"Airport: " << num << endl;
    }
};
//学校：具体观察者
class School : public WeatherObservers
{
public:
    void updateWeatherInfo(int num) override
    {
        std::cout << "School: " << num << endl;
    }
};

//2.1 主题（气象站）
class WeatherStation
{
    using ObserverPtr = std::weak_ptr<WeatherObservers>; //弱引用

    //set集合中保存观察者的弱引用（以ObserverPtr为关键字，基于ownership排序）
    using ObserverList = std::set<ObserverPtr, std::owner_less<ObserverPtr>>;

    ObserverList obs; //保存所有观察者
public:
    //注册观察者
    void registerObserver(const ObserverPtr oPtr)
    {
        if (obs.find(oPtr) == obs.end()) {
            obs.insert(oPtr);
        }
    }
    //注销观察者
    void unregisterObserver(const ObserverPtr oPtr) //oPtr为weak_ptr类型
    {
        if (obs.find(oPtr) != obs.end())
        {
            obs.erase(oPtr);
        }
    }

    //通知各个观察者
    void notifyObservers(int num)
    {
        std::shared_ptr<WeatherObservers> tempPtr;
        for (auto& ob : obs)
        {
            if ((tempPtr = ob.lock())) {
                tempPtr->updateWeatherInfo(num);
            }
        }
    }
};


int main()
{
    //观察者模式
    WeatherStation station;
    std::shared_ptr<Airport> airport(new Airport());
    std::shared_ptr<School>  school(new School());

    station.registerObserver(airport);
    station.registerObserver(school);

    station.notifyObservers(1);

    station.unregisterObserver(school);
    station.notifyObservers(2);

    return 0;
}
/*输出结果
Airport: 1
School: 1
Airport: 2
*/