weak_ptr 是如何工作的？

Question

我了解如何使用weak_ptr 和shared_ptr。通过计算其对象中的引用数，我了解shared_ptr 的工作原理。 weak_ptr 是如何工作的？我尝试通读 boost 源代码，但我对 boost 不够熟悉，无法理解它使用的所有东西。

谢谢。

Answer 1

shared_ptr 使用额外的“计数器”对象（又名“共享计数”或“控制块”）来存储引用计数。 （顺便说一句：那个“计数器”对象也存储了删除器。）

每个shared_ptr 和weak_ptr 都包含一个指向实际指针对象的指针，以及一个指向“计数器”对象的第二个指针。

为了实现weak_ptr，“计数器”对象存储了两个不同的计数器：

• “使用计数”是指向对象的shared_ptr 实例数。
• “弱计数”是指向对象的weak_ptr 实例的数量，如果“使用计数”仍然 > 0，则加一。

当“使用计数”达到零时，指针被删除。

当“弱计数”达到零时，“计数器”辅助对象被删除（这意味着“使用计数”也必须为零，见上文）。

当您尝试从 weak_ptr 获取 shared_ptr 时，库会自动检查“使用计数”，如果它 > 0，则将其递增。如果成功，您将获得shared_ptr。如果“使用计数”已经为零，您将获得一个空的 shared_ptr 实例。

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编辑：现在，为什么当两个计数都降为零时，他们将弱计数加一而不是释放“计数器”对象？好问题。

当“使用计数”和“弱计数”都降为零时，替代方法是删除“计数器”对象。这是第一个原因：并非在每个平台上都可以原子地检查两个（指针大小的）计数器，即使在哪里，也比只检查一个计数器更复杂。

另一个原因是删除器必须保持有效，直到它完成执行。由于删除器存储在“计数器”对象中，这意味着“计数器”对象必须保持有效。考虑如果某个对象有一个shared_ptr 和一个weak_ptr，并且它们在并发线程中同时被重置，会发生什么情况。假设shared_ptr 排在第一位。它将“使用计数”减少到零，并开始执行删除程序。现在weak_ptr 将“弱计数”减少到零，并发现“使用计数”也为零。因此，它删除了“计数器”对象，以及删除器。当删除器仍在运行时。

当然会有不同的方法来确保“计数器”对象保持活动状态，但我认为将“弱计数”增加一个是一种非常优雅和直观的解决方案。 “弱计数”成为“计数器”对象的引用计数。由于shared_ptrs 也引用了计数器对象，他们也必须增加“弱计数”。

一个可能更直观的解决方案是增加每个shared_ptr 的“弱计数”，因为每个shared_ptr 持有都是对“计数器”对象的引用。

为所有shared_ptr 实例添加一个只是一种优化（在复制/分配shared_ptr 实例时保存一个原子增量/减量）。

Answer 2

基本上，“weak_ptr”是一个普通的“T*”指针，可以让您在后面的代码中恢复强引用，即“shared_ptr”。

就像一个普通的 T*，weak_ptr 不做任何引用计数。在内部，为了支持对任意类型 T 的引用计数，STL（或任何其他实现这种逻辑的库）创建了一个包装对象，我们称之为“Anchor”。 “Anchor”的存在只是为了实现我们需要的引用计数和“当计数为零时，调用删除”行为。

在强引用中，shared_ptr 实现其副本、operator=、构造函数、析构函数和其他相关 API 以更新“锚”的引用计数。这就是 shared_ptr 确保您的“T”在有人使用它时一直存在的方式。在“weak_ptr”中，这些相同的 API 只是复制实际的 Anchor ptr。它们不会更新引用计数。

这就是为什么“weak_ptr”最重要的 API 都“过期”而名不副实的“锁”的原因。 “已过期”告诉您底层对象是否仍然存在 - 即“它是否已经删除了自己，因为所有强引用都超出了范围？”。 “Lock”将（如果可以）将weak_ptr 转换为强引用shared_ptr，恢复引用计数。

顺便说一句，“锁”对于该 API 来说是一个糟糕的名称。您不是（只是）调用互斥锁，而是从弱引用创建强引用，并具有“锚”作用。两个模板的最大缺陷是它们没有实现 operator->，所以要对你的对象做任何事情，你必须恢复原始的“T*”。他们这样做主要是为了支持“shared_ptr”之类的东西，因为原始类型不支持“->”运算符。