智能指针与循环引用问题

题目

智能指针与循环引用问题

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

智能指针使用,循环引用分析,内存泄漏排查

快速回答

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

• 将其中一个指针改为weak_ptr打破循环
• 使用weak_ptr::lock()安全访问对象
• 避免在可能形成环状结构的场景滥用shared_ptr

问题背景

在C++中，shared_ptr通过引用计数实现自动内存管理。但当两个对象相互持有对方的shared_ptr时，会形成循环引用，导致引用计数永不归零，对象无法被销毁。

原理说明

shared_ptr的引用计数机制：

• 每次复制shared_ptr时引用计数+1
• 每次析构shared_ptr时引用计数-1
• 当引用计数归零时销毁对象

代码示例

问题代码（内存泄漏）

#include <memory>

class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr;
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};

int main() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();

    a->b_ptr = b;  // A引用B
    b->a_ptr = a;  // B引用A

    // 退出作用域时A和B不会被销毁
    return 0;
}

解决方案代码

class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr;  // 关键修改：使用weak_ptr
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};

int main() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();

    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;  // weak_ptr不增加引用计数

    // 安全访问示例
    if(auto ptr = b->a_ptr.lock()) {
        ptr->do_something();
    }
    return 0;  // 对象正常销毁
}

最佳实践

• 所有权设计：明确对象间的所有权关系（独占/共享/弱引用）
• weak_ptr使用场景：
  • 打破循环引用
  • 缓存系统（不延长对象生命周期）
  • 观察者模式中的观察者列表
• lock()检查：访问weak_ptr前必须用lock()检查有效性

常见错误

• 直接解引用weak_ptr（应使用lock()）
• 在循环结构中误用shared_ptr（如双向链表、树结构的父节点）
• 忽略lock()的返回值检查导致访问悬空指针

扩展知识

• enable_shared_from_this：在类的成员函数中获取当前对象的shared_ptr
• 引用计数开销：shared_ptr的原子操作有性能代价，高频场景慎用
• 工具检测：使用Valgrind、AddressSanitizer检测内存泄漏
• 替代方案：
  • 对于独占所有权使用unique_ptr
  • 手动管理生命周期（需谨慎）