C++ 中shared_ptr循环引用计数问题

转自 https://blog.csdn.net/daniel_ustc/article/details/23096229

c++智能指针介绍

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制，程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete，比如流程太复杂，最终导致没有 delete，异常导致程序过早退出，没有执行 delete 的情况并不罕见，并造成内存泄露。如此c++引入智能指针 ，智能指针即是C++ RAII的一种应用，可用于动态资源管理，资源即对象的管理策略。 智能指针在 <memory> 标头文件的 std 命名空间中定义。 它们对 RAII 或获取资源即初始化编程惯用法至关重要。RAII 的主要原则是为所有堆分配资源提供所有权，例如动态分配内存或系统对象句柄、析构函数包含要删除或释放资源的代码的堆栈分配对象，以及任何相关清理代码。

c++智能指针类别

c++ 智能指针主要包括：unique_ptr,shared_ptr, weak_ptr, 这三种，其中auto_ptr 已被遗弃。

unique_ptr
只允许基础指针的一个所有者。 可以移到新所有者(具有移动语义)，但不会复制或共享（即我们无法得到指向同一个对象的两个unique_ptr）。 替换已弃用的 auto_ptr。 相较于 boost::scoped_ptr。 unique_ptr 小巧高效；大小等同于一个指针，支持 rvalue 引用，从而可实现快速插入和对 STL 集合的检索。 头文件：<memory>。

使用unique_ptr，可以实现以下功能：

1、为动态申请的内存提供异常安全。
2、将动态申请内存的所有权传递给某个函数。
3、从某个函数返回动态申请内存的所有权。

4、在容器中保存指针。
5、所有auto_ptr应该具有的（但无法在C++ 03中实现的）功能。

如下代码所示：

class A;
// 如果程序执行过程中抛出了异常，unique_ptr就会释放它所指向的对象
// 传统的new 则不行
unique_ptr<A> fun1()
{
    unique_ptr p(new A);
    //do something
    return p;
}
 
void fun2()
{   //  unique_ptr具有移动语义
    unique_ptr<A> p = f();// 使用移动构造函数
    // do something
}// 在函数退出的时候，p以及它所指向的对象都被删除释放

 shared_ptr
采用引用计数的智能指针。 shared_ptr基于“引用计数”模型实现，多个shared_ptr可指向同一个动态对象，并维护了一个共享的引用计数器，记录了引用同一对象的shared_ptr实例的数量。当最后一个指向动态对象的shared_ptr销毁时，会自动销毁其所指对象(通过delete操作符)。shared_ptr的默认能力是管理动态内存，但支持自定义的Deleter以实现个性化的资源释放动作。头文件：<memory>。

基本操作：shared_ptr的创建、拷贝、绑定对象的变更(reset)、shared_ptr的销毁(手动赋值为nullptr或离开作用域)、指定deleter等操作。

 shared_ptr的创建,有两种方式，一，使用函数make_shared(会根据传递的参数调用动态对象的构造函数)；二，使用构造函数(可从原生指针、unique_ptr、另一个shared_ptr创建)

    shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(1);// 通过make_shared函数
    shared_ptr<int> p2(new int(2));// 通过原生指针构造

此外智能指针若为“空“，即不指向任何对象，则为false，否则为true，可作为条件判断。可以通过两种方式指定deleter，一是构造shared_ptr时，二是使用reset方法时。可以重载的operator->, operator *，以及其他辅助操作如unique()、use_count(), get()等成员方法。

 weak_ptr
结合 shared_ptr 使用的特例智能指针。 weak_ptr 提供对一个或多个 shared_ptr 实例所属对象的访问，但是，不参与引用计数。 如果您想要观察对象但不需要其保持活动状态，请使用该实例。 在某些情况下需要断开 shared_ptr 实例间的循环引用。 头文件：<memory>。

weak_ptr的用法如下：

weak_ptr用于配合shared_ptr使用，并不影响动态对象的生命周期，即其存在与否并不影响对象的引用计数器。weak_ptr并没有重载operator->和operator *操作符，因此不可直接通过weak_ptr使用对象。提供了expired()与lock()成员函数，前者用于判断weak_ptr指向的对象是否已被销毁，后者返回其所指对象的shared_ptr智能指针(对象销毁时返回”空“shared_ptr)。循环引用的场景：如二叉树中父节点与子节点的循环引用，容器与元素之间的循环引用等。

智能指针的循环引用

循环引用问题可以参考这个链接上的问题理解，“循环引用”简单来说就是：两个对象互相使用一个shared_ptr成员变量指向对方的会造成循环引用。导致引用计数失效。下面给段代码来说明循环引用：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
 
class B;
class A
{
public:// 为了省去一些步骤这里 数据成员也声明为public
    //weak_ptr<B> pb;
    shared_ptr<B> pb;
    void doSomthing()
    {
//        if(pb.lock())
//        {
//
//        }
    }
 
    ~A()
    {
        cout << "kill A
";
    }
};
 
class B
{
public:
    //weak_ptr<A> pa;
    shared_ptr<A> pa;
    ~B()
    {
        cout <<"kill B
";
    }
};
 
int main(int argc, char** argv)
{
    shared_ptr<A> sa(new A());
    shared_ptr<B> sb(new B());
    if(sa && sb)
    {
        sa->pb=sb;
        sb->pa=sa;
    }
    cout<<"sa use count:"<<sa.use_count()<<endl;
    return 0;
}

上面的代码运行结果为：sa use count:2， 注意此时sa,sb都没有释放，产生了内存泄露问题！！！

即A内部有指向B，B内部有指向A，这样对于A，B必定是在A析构后B才析构，对于B，A必定是在B析构后才析构A，这就是循环引用问题，违反常规，导致内存泄露。

一般来讲，解除这种循环引用有下面有三种可行的方法(参考)：
1. 当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。
2. 当A的生存期超过B的生存期的时候，B改为使用一个普通指针指向A。
3. 使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。
虽然这三种方法都可行，但方法1和方法2都需要程序员手动控制，麻烦且容易出错。我们一般使用第三种方法：弱引用的智能指针weak_ptr。

强引用和弱引用
一个强引用当被引用的对象活着的话，这个引用也存在（就是说，当至少有一个强引用，那么这个对象就不能被释放）。share_ptr就是强引用。相对而言，弱引用当引用的对象活着的时候不一定存在。仅仅是当它存在的时候的一个引用。弱引用并不修改该对象的引用计数，这意味这弱引用它并不对对象的内存进行管理，在功能上类似于普通指针，然而一个比较大的区别是，弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免访问非法内存。

使用weak_ptr来打破循环引用

代码如下：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
 
class B;
class A
{
public:// 为了省去一些步骤这里 数据成员也声明为public
    weak_ptr<B> pb;
    //shared_ptr<B> pb;
    void doSomthing()
    {
        shared_ptr<B> pp = pb.lock();
        if(pp)//通过lock()方法来判断它所管理的资源是否被释放
        {
            cout<<"sb use count:"<<pp.use_count()<<endl;
        }
    }
 
    ~A()
    {
        cout << "kill A
";
    }
};
 
class B
{
public:
    //weak_ptr<A> pa;
    shared_ptr<A> pa;
    ~B()
    {
        cout <<"kill B
";
    }
};
 
int main(int argc, char** argv)
{
    shared_ptr<A> sa(new A());
    shared_ptr<B> sb(new B());
    if(sa && sb)
    {
        sa->pb=sb;
        sb->pa=sa;
    }
    sa->doSomthing();
    cout<<"sb use count:"<<sb.use_count()<<endl;
    return 0;
}

需要知道的：

weak_ptr除了对所管理对象的基本访问功能（通过get()函数）外，还有两个常用的功能函数：expired()用于检测所管理的对象是否已经释放；lock()用于获取所管理的对象的强引用指针。不能直接通过weak_ptr来访问资源。那么如何通过weak_ptr来间接访问资源呢？答案是：在需要访问资源的时候weak_ptr为你生成一个shared_ptr，shared_ptr能够保证在shared_ptr没有被释放之前，其所管理的资源是不会被释放的。创建shared_ptr的方法就是lock()方法。

参考：

http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/hh279674.aspx

http://www.dewen.org/q/8560/%E5%85%B3%E4%BA%8E%E9%81%BF%E5%85%8D%E5%BE%AA%E7%8E%AF%E5%BC%95%E7%94%A8