c++ - weak_ptr这个智能指针有什么用？

Question

c++primer：

通过使用weak_ptr，不会影响一个给定的strblob所指向的vector的生存期。但是，可以阻止用户访问一个不再存在的vector的企图。

书上说的作用就这一个，我想不通的是，阻止用户访问一个不再存在的vector，难道就不能通过检测strblob的shared_ptr是否为NULL来实现吗？

Answer 1

补充1：为什么不能检测shared_ptr是否为NULL？

因为这就是错的。shared_ptr和nullptr相等，并不代表所引用的对象不存在了。

shared_ptr允许有一个“empty”状态，代表shared_ptr<T>对象的实例本身存在，但并不指向一个有效的T。shared_ptr重载了==和=来表示以下意义：

• shared_ptr和nullptr判等，代表判断是否处在empty状态；

• shared_ptr被赋值为nullptr，不代表shared_ptr实例本身没了，而是把这个shared_ptr实例的状态改为empty。

• 一个已经处于empty状态的shared_ptr仍可以被继续赋值成为一个有效、有值的shared_ptr。

如果有两个shared_ptr同时指向同一个T在内存中的实例，那么任意一个shared_ptr和nullptr判等成功，都不能说明指向的对象已经不存在（被销毁）了！

任何一个具体用例中，都必然有多个shared_ptr指向同一个实例（如果没有多个你shared干嘛）。所以通过判空某 1 个shared_ptr去确定被指向的对象是否已被销毁，这个在语义和实效上都绝无任何正确（哪怕是“蒙对了”）的可能！

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补充2：shared_ptr到底是什么？

首先shared_ptr虽然名为“智能指针”，但其实他不是指针。一个shared_ptr<T>定义出来的东西，只是一个单纯的变量，存储了一个实例化出来的class。其本质上等同于以下代码：

struct MyClass
{
public:
    int MyValue;
    MyClass(int my_value) {
        MyValue = my_value;
    }
}

void main()
{
    auto a = new MyClass(1); 
    // a 是一个单纯的变量，不是指针
    // a 天然与 main() 函数拥有等同的生命周期
}

为什么shared_ptr能够像指针一样使用*、&、->等运算符，是因为shared_ptr类把这些运算符重载了，从而让程序编写者“看起来”像是在用指针而已。

一个非指针的局部变量，如果不靠运算符重载，你是不能判nullptr的。如同你不能对一个int判nullptr一样。

shared_ptr判nullptr由于运算符重载，其本质意义都变了，必须具体分析，而不能想当然！

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嗯……非读者注意：StrBlob仅仅是那本书里的一个范例类，其内部用shared_ptr维护其管理的vector<string>集合本身的生存期。与C++本身无关。

阻止用户访问一个不再存在的vector，这个用shared_ptr没问题，能做到。事实上很多情况下，weak_ptr全改shared_ptr并不会立刻就炸。

但是shared_ptr就意味着你的引用和原对象是一个强联系。你的引用不解开，原对象就不能销毁。滥用强联系，这在一个运行时间长、规模比较大，或者是资源较为紧缺的系统中，极易造成隐性的内存泄漏，这会成为一个灾难性的问题。

更糟的是，滥用强联系可能造成循环引用的灾难。即：B持有指向A内成员的一个shared_ptr，A也持有指向B内成员的一个shared_ptr，此时A和B的生命周期互相由对方决定，事实上都无法从内存中销毁。
——这还仅仅是一个简单的情况。如果存在间接的强引用，或者是多于两个实例之间的强引用，这个相关的bug解起来将是灾难性的。

shared_ptr是C++内存管理机制的一种放松。但放松绝不意味着可以滥用，否则最后的结局恐怕不会比裸指针到处申请了不释放更好。

必须明确：从语义上来说，shared_ptr代表了一种对生命周期的自动推断。其本质的意义是：A持有B的shared_ptr，代表B的生命周期反而完全覆盖了A。以树形结构的层级来理解，指针持有者是下级，指针指向的目标反而才是上级——下级短命，上级长存；上级不存，下级焉附。

从这个意义上，有些关系你用shared_ptr就表示不了了：

• 隶属关系中，祖先到子孙的关系。比如一个对象容器，具体对象找其隶属的容器可以用shared_ptr，但是容器去找具体的对象则不行，因为容器不能要求对象生存的比自己更久。

• 生命周期没有本质关联的两个无关对象。例如一个全局事件管理器（订阅者模型），事件订阅者构造时把自己注册进来，析构时把自己解注册掉。管理器要维护到达这个对象的指针（从而发送消息），但绝对不允许染指对象的生命周期，对象的析构需要无视订阅者的存在，只由其他业务所必须的强引用来控制。

这种时候就是weak_ptr的用处。weak_ptr提供一个（1）能够确定对方生存与否（2）互相之间生命周期无干扰（3）可以临时借用一个强引用（在你需要引用对方的短时间内保证对方存活）的智能指针。

而weak_ptr要求程序员在运行时确定生存并加锁，这也是逻辑上必须的本征复杂度——如果别人活的比你短，你当然要：（1）先确定别人的死活（2）如果还活着，就给他续个命续到你用完了为止。

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事实上弱引用和强引用这个概念，在有GC的语言中也是一个需要注意的问题。以C#为例：

public class EventDisposer
{
    private Dictionary<int, WeakReference<IEventListener>> pendingEvents;
    private void Dispose(int event_id)
    {
        var reference = pendingEvents[event_id];
        IEventListener context;
        if (reference.TryGetTarget(out context)) 
        {
            // context is valid from here to the end of function
            context.Trigger();
        }
        else
        {
            // context has already been destroyed...
        }
    }
}

这个程序使用WeakReference<IEventListener>替代强引用的IEventListener，从而使接受事件分发的对象，在生存周期上可以获得彻底销毁的自由，而不和事件分发者产生什么必然的关联。

Answer 2

防止循环引用