智能指针的循环引用问题与解决方案

题目

智能指针的循环引用问题与解决方案

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

智能指针原理,循环引用分析,weak_ptr使用,资源管理

快速回答

当两个shared_ptr相互引用时会导致循环引用问题，使引用计数无法归零，从而引发内存泄漏。解决方案：

• 使用weak_ptr替代其中一个shared_ptr打破循环
• weak_ptr不增加引用计数，通过lock()方法安全访问对象
• 在存在双向关联的类关系中优先使用weak_ptr

原理说明

智能指针通过引用计数管理对象生命周期：

• shared_ptr：共享所有权，引用计数增/减1
• weak_ptr：观察者模式，不增加引用计数
• 循环引用：当两个对象相互持有对方的shared_ptr时，引用计数永不归零

代码示例

问题代码（内存泄漏）：

class Child;

class Parent {
public:
    shared_ptr<Child> child;
};

class Child {
public:
    shared_ptr<Parent> parent;  // 错误：导致循环引用
};

void createLeak() {
    auto p = make_shared<Parent>();
    auto c = make_shared<Child>();
    p->child = c;
    c->parent = p;  // 引用计数永远≥1
}  // 离开作用域后对象未被释放

解决方案：

class Child {
public:
    weak_ptr<Parent> parent;  // 关键修改
};

void safeUsage() {
    auto p = make_shared<Parent>();
    auto c = make_shared<Child>();
    p->child = c;
    c->parent = p;  // weak_ptr不增加计数

    // 安全访问对象
    if (auto parentPtr = c->parent.lock()) {
        parentPtr->doSomething();
    }
}  // 对象正确释放

最佳实践

• 在可能形成循环引用的场景中，将其中一个指针设为weak_ptr
• 使用make_shared代替new创建对象（更高效且异常安全）
• 访问weak_ptr时必须检查lock()返回的shared_ptr是否为空
• 在面向对象设计中：
  • 父对象持有子对象的shared_ptr
  • 子对象持有父对象的weak_ptr

常见错误

• 直接存储原始指针（Parent*）替代weak_ptr，可能导致悬垂指针
• 忘记检查lock()结果直接使用（对象可能已被释放）
• 在类内部使用shared_from_this()时未继承enable_shared_from_this
• 在多线程环境中不加锁访问weak_ptr

扩展知识

• enable_shared_from_this：当类需要将自身作为智能指针传递时使用

  class SelfAware : public enable_shared_from_this<SelfAware> {
      void registerSelf() {
          registry.add(shared_from_this());
      }
  };

• weak_ptr实现原理：通过控制块（control block）的弱引用计数管理，不影响对象生命周期
• 性能考量：weak_ptr::lock()是原子操作，比shared_ptr拷贝开销小
• 替代方案：对于明确所有权的场景，优先使用unique_ptr+原始指针观察