shared_ptr 的循环引用问题

在 C++ 开发过程中，面对浩繁的代码工作，不免会出现各种 bug，而在智能指针使用方面也存在一些难以察觉的坑。shared_ptr 循环引用造成内存泄漏就是一例。当两个内存对象分别拥有对方的非 nullptr 的 shared_ptr 类型的智能指针，导致 shared_ptr 引用计数无法归 0，从而造成系统内存泄漏。

我们来看下面的代码

class B;
class A
{
public:
    A() = default;
    ~A() { std::cout << "A dtor." << std::endl;}
    std::shared_ptr<B> b;
};
class B
{
public:
    B() = default;
    ~B() { std::cout << "B dtor." << std::endl; }
    std::shared_ptr<A> a;
};

上面就是典型的错误场景，在实际运行过程中，我们无法看到 A，B 的析构。

int main()
{
	std::shared_ptr<A> sa = std::make_shared<A>();
	std::shared_ptr<B> sb = std::make_shared<B>();
	sa->b = sb;
	sb->a = sa;
	return 0;
}

对于 shared_ptr 循环引用的问题，怎么来解决呢？

• 在实际代码编写过程中，尽量使用 unique_ptr，避免出现循环引用的场景

  unique_ptr 只能独占使用，我们可以通过右值或裸指针将 unique_ptr 的内存对象传递给其它内存对象。

  class B;
  class A
  {
  public:
  	std::unique_ptr<B> b;
  };
  class B
  {
  public:
  	void test() {}
  };
  int main()
  {
  	std::unique_ptr<A> a = std::make_unique<A>();
  	std::unique_ptr<B> b = std::make_unique<B>();
  	a->b = std::move(b);
  	a->b->test();
  	// b->get() is nullptr
  }
  

• 如果无法避免循环引用，则改用 weak_ptr

  weak_ptr 并不会增加内存对象的引用计数，为避免内存泄漏，循环引用使用 weak_ptr

  class B;
  class A
  {
  public:
      A() = default;
      ~A() { std::cout << "A dtor." << std::endl; }
      void test() { std::cout << "A test." << std::endl; }
      std::weak_ptr<B> b;
  };
  class B
  {
  public:
       B() = default;
       ~B() { std::cout << "B dtor." << std::endl; }
       void test() { std::cout << "B test." << std::endl; }
       std::weak_ptr<A> a;
  };
  

  我们无法通过 weak_ptr 直接调用内存对象的成员和方法，可以通过 weak_ptr 的 lock() 方法获得它的 shared_ptr，然后再调用内存对象的成员和方法。通过 weak_ptr 的 expired() 方法可以判断它所指向的内存对象是否已被释放。

  int main()
  {
        std::shared_ptr<WeakPtr::A> sa = std::make_shared<WeakPtr::A>();
        std::shared_ptr<WeakPtr::B> sb = std::make_shared<WeakPtr::B>();
        sa->b = sb;
        sb->a = sa;
  
        // shared_ptr call test
        sa->test();
        sb->test();
        // weak_ptr call test
        sa->b.lock()->test();
        sb->a.lock()->test();
  
        // released
        std::cout << "B expired = " << sa->b.expired() << std::endl;
        std::cout << "A expired = " << sb->a.expired() << std::endl;
  }
  

  上述代码运行后，A,B 都会被正常析构。