讲座主题：C++中的智能指针大对决——std::shared_ptr vs std::weak_ptr

大家好，欢迎来到今天的C++技术讲座！今天我们要聊一聊C++中两个非常重要的智能指针：std::shared_ptr和std::weak_ptr。它们就像一对兄弟，虽然长得有点像，但性格和用途却大不相同。接下来，我会用轻松幽默的语言，带你深入了解它们的区别以及典型应用场景。

---

开场白：为什么需要智能指针？

在C++的世界里，内存管理一直是个让人头疼的问题。手动管理内存容易导致内存泄漏或者悬空指针（dangling pointer），这些问题会让程序崩溃或者行为异常。为了解决这些问题，C++11引入了智能指针的概念，帮助我们自动管理动态分配的内存。

智能指针主要有三种：std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr。今天我们聚焦于后两者，看看它们是如何各显神通的。

---

第一幕：std::shared_ptr登场

1. 什么是std::shared_ptr？

std::shared_ptr是一个共享所有权的智能指针。它允许多个shared_ptr对象指向同一个动态分配的对象，并通过引用计数来决定何时释放该对象。

简单来说，shared_ptr就像一群朋友一起分享一块蛋糕。只要还有人想吃这块蛋糕，它就不会被扔掉。只有当所有人都放弃了这块蛋糕时，它才会被清理掉。

2. 代码示例

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    // 创建一个shared_ptr
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);
    std::cout << "ptr1 use count: " << ptr1.use_count() << std::endl;

    // 复制给另一个shared_ptr
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;
    std::cout << "ptr1 use count: " << ptr1.use_count() << std::endl;
    std::cout << "ptr2 use count: " << ptr2.use_count() << std::endl;

    // 当ptr2销毁时，引用计数会减少
    return 0;
}

输出：

ptr1 use count: 1
ptr1 use count: 2
ptr2 use count: 2

3. 优点与缺点

优点	缺点
自动管理内存	可能导致循环引用问题
支持多线程安全	引用计数增加了额外开销

---

第二幕：std::weak_ptr登场

1. 什么是std::weak_ptr？

std::weak_ptr是一种“弱引用”的智能指针，它不会影响目标对象的引用计数。换句话说，weak_ptr的存在不会阻止对象被销毁。它更像是一个旁观者，可以观察对象是否存在，但不会干预它的生死。

举个例子，weak_ptr就像是你在远处看着那块蛋糕，但你并没有伸手去拿。如果有人把蛋糕吃完了，你就只能眼睁睁地看着它消失。

2. 代码示例

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);
    std::weak_ptr<int> weakPtr = ptr1;

    if (auto lockedPtr = weakPtr.lock()) { // 检查对象是否还存在
        std::cout << "Object still exists: " << *lockedPtr << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Object has been destroyed!" << std::endl;
    }

    ptr1.reset(); // 销毁shared_ptr管理的对象

    if (auto lockedPtr = weakPtr.lock()) {
        std::cout << "Object still exists: " << *lockedPtr << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Object has been destroyed!" << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：

Object still exists: 42
Object has been destroyed!

3. 优点与缺点

优点	缺点
避免循环引用	不能直接访问对象
不增加引用计数	需要额外检查对象状态

---

第三幕：两兄弟的较量

1. 引用计数的区别

特性	std::shared_ptr	std::weak_ptr
是否影响引用计数	是	否
是否可以直接访问对象	是	否，需通过lock()
循环引用问题	可能导致循环引用	不会导致循环引用

2. 典型应用场景

• std::shared_ptr

  • 适合需要共享所有权的场景，例如多个对象共同管理一个资源。
  • 示例：实现观察者模式时，多个观察者共享同一个被观察对象。

• std::weak_ptr

  • 适合需要避免循环引用的场景，例如图结构或父子关系中。
  • 示例：在一个树形结构中，父节点使用shared_ptr管理子节点，而子节点使用weak_ptr指向父节点。

---

第四幕：实战演练——循环引用问题

让我们来看一个经典的循环引用问题，并探讨如何用weak_ptr解决它。

#include <iostream>
#include <memory>

class Parent;
class Child;

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

class Child {
public:
    std::weak_ptr<Parent> parent; // 使用weak_ptr避免循环引用
};

int main() {
    std::shared_ptr<Parent> p = std::make_shared<Parent>();
    p->child = std::make_shared<Child>();
    p->child->parent = p;

    // 主函数结束后，p和child都会被销毁
    return 0;
}

如果没有使用weak_ptr，Parent和Child之间的相互引用会导致循环引用，使得内存无法释放。而使用weak_ptr后，Child不再影响Parent的引用计数，成功解决了这个问题。

---

结语：选择合适的工具

在C++的世界里，std::shared_ptr和std::weak_ptr各有千秋。shared_ptr适合共享所有权的场景，而weak_ptr则更适合避免循环引用的情况。正如国外技术文档所说：“Choose the right tool for the job.”（选择合适的工具完成任务）。

希望今天的讲座能帮你更好地理解这两个智能指针的区别和应用场景。下次再遇到内存管理问题时，记得带上这对兄弟，它们一定会成为你的得力助手！

谢谢大家，我们下期再见！