概述

在C++11 标准中，智能指针的引入极大地提升了内存管理的安全性和便利性。除了已经广为人知的shared_ptr和unique_ptr之外，还有一个重要但相对较少被单独提及的智能指针类型——std::weak_ptr。std::weak_ptr是C++ 11引入的一种弱引用智能指针，它不拥有所指向对象的所有权，而是对shared_ptr持有的对象提供一种非拥有但可观察的访问方式。weak_ptr主要用于打破共享所有权循环引用的问题，防止出现内存泄漏。

工作原理

1、不增加引用计数。

当创建一个weak_ptr时，它不会增加其所指向的对象的引用计数。这意味着，即使有多个weak_ptr指向同一对象，只要没有对应的shared_ptr存在，该对象仍会在所有shared_ptr释放后被正确销毁。

2、检查有效性。

通过调用weak_ptr的lock()成员函数，可以获取一个指向同一对象的shared_ptr。如果此时对象已被删除，则返回的shared_ptr为空。因此，在使用weak_ptr之前通常需要先调用lock()来检查对象是否仍然有效。

3、不阻止对象析构。

由于weak_ptr仅提供了对目标对象的弱引用，所以在没有活跃的shared_ptr指向该对象时，对象会被正常回收。

使用案例

单纯使用shared_ptr有时会产生问题，考虑下面的示例代码。

#include <iostream>
using namespace std;

class A;
class B;

typedef shared_ptr<A> A_Share;
typedef shared_ptr<B> B_Share;

class A
{
public:
    B_Share m_b;
};

class B
{
public:
    A_Share m_a;
};

int main()
{
    A_Share a(new A());
    B_Share b(new B());
    a->m_b = b;
    b->m_a = a;
    return 0;
}

在上面的示例代码中，a和b相互进行引用。在a和b离开作用域时，a和b的引用计数都是1，内存没有正常释放。解决方法是：将A和B中的任意一个类声明的变量改为week_ptr类型。比如：修改类B后的参考代码如下。

class B
{
public:
    weak_ptr<A> m_a;
};

修改后，b.m_a = a不会增加A对象的引用计数。因此，a离开作用域时，引用计数为0。B对象的引用计数为2，在a和b离开作用域时，引用计数各减1后也为0，从而被正常释放。

应用场景

1、打破循环引用。

在两个或多个具有相互引用关系的对象之间使用shared_ptr时，如果没有弱引用的存在，可能会形成循环引用，导致即使外部不再有任何其他引用，这些对象也无法被垃圾回收。在这种情况下，可以通过将一部分引用改为weak_ptr来解决此问题。

2、缓存与观察者模式。

在设计缓存系统或者观察者模式时，某个对象可能需要知道另一个对象的状态变化，但并不希望影响该对象的生命周期。这时，可以使用weak_ptr来跟踪对象，而不增加其引用计数。

总结

std::weak_ptr作为C++ 11的新特性之一，为了解决循环引用和实现特定设计模式提供了关键工具。理解和熟练运用weak_ptr，有助于编写更加安全且资源高效的C++程序。同时，应当注意在恰当的场景下结合shared_ptr一起使用，以达到最佳效果。