条款20：对于类似std::shared_ptr但有可能空悬的指针使用std::weak_ptr

1 std::weak_ptr

std::weak_ptr是对 std::shared_ptr的增强，不能被解引用，不能测试是否为空，不会影响所指向对象的引用计数：

cpp 复制代码

auto spw = std::make_shared<Widget>();  // 引用计数=1
...
std::weak_ptr<Widget> wpw(spw);         // 引用计数=1
...
spw = nullptr;                          // 引用计数=0，spw变为空悬
if (wpw.expired()) ...                    // 如果 wpw 没有指向任何对象

但通常你希望检查 std::weak_ptr是否有效，如果它不是悬挂的，则访问它指向的对象。
1）因为 std::weak_ptr缺乏解引用操作，所以无法编写这样的代码。
2）需要原子操作，检查 std::weak_ptr是否有效，有效则从 std::weak_ptr创建一个 std::shared_ptr来进行访问。

cpp 复制代码

std::shared_ptr<Widget> spw1 = wpw.lock(); 	// 如果 wpw 无效, spw1 将会是空
auto spw2 = wpw.lock(); 			// 同上

std::shared_ptr可以使用std::weak_ptr作为参数进行构造，如果std::weak_ptr已经无效，就会抛出一个异常:

cpp 复制代码

std::shared_ptr<Widget> spw3(wpw); // 如果 wpw 无效, 则抛出 std::bad_weak_ptr

对于根据 ID 生成只读对象的工厂函数，其调用可能很昂贵，需要缓存，并在不再使用时销毁缓存的 Widget：

cpp 复制代码

std::unique_ptr<const Widget> loadWidget(WidgetID id);

1）调用者当然应该获得对象的智能指针，并且确定这些对象的生命周期，但缓存也需要指向这些对象的指针。

2）缓存的指针需要能够检测到它们悬空。因此，缓存的指针应该是std::weak_ptrs。

3）这意味着工厂的返回类型应该是std::shared_ptr。

cpp 复制代码

std::shared_ptr<const Widget> fastLoadWidget(WidgetID id){
    static std::unordered_map< WidgetID,std::weak_ptr<const Widget> > cache;
    auto objPtr = cache[id].lock(); // objPtr是缓存对象的std::shared_ptr(或为空指针)
    if (!objPtr) { 			// 如果不在缓存中,
        objPtr = loadWidget(id); 	// 加载它
        cache[id] = objPtr; 		// 缓存它
    }
    return objPtr;
}

2 std::weak_ptr使用

"观察者设计模式"是std::weak_ptrs的另一个用例。
1）该模式的主要组成部分是主题（状态可能发生变化的对象）和观察者。主题只关注观察者是否已经被销毁。
2）每个主题持有一个元素为观察者的std::weak_ptr的容器，从而使主题能够在使用指针之前确定它是否悬空。
最后一个std::weak_ptr的用例：
考虑一个包含对象 A、B 和 C 的数据结构，其中 A 和 C 共享 B 的所有权，因此持有对 B 的std::shared_ptr，假设从 B 到 A 也有一个指针，该如何设计？

1）raw pointer：如果 A 被销毁，C 仍然指向 B，B 将包含一个指向 A 的悬空指针。
2）std::shared_ptr：A 和 B 都包含对彼此的 std::shared_ptr。产生的 std::shared_ptr 循环（A 指向 B，B 指向 A）将阻止 A 和 B 被销毁。
3）std::weak_ptr：这避免了上述两个问题。如果 A 被销毁，B 指向它的指针将悬空，但 B 能够检测到这一点。此外，尽管 A 和 B 会相互指向，但 B 的指针不会影响 A 的引用计数。
std::weak_ptr 对象的大小与 std::shared_ptr 对象相同，它们都使用相同的控制块。std::weak_ptr 不参与对象的共享所有权，因此不会影响所指向对象的引用计数。但是，std::weak_ptr 确实会操纵控制块中的第二个引用计数，用于检测所指向的对象是否已经被销毁或过期。

3 要点速记

对于类似std::shared_ptr的可能会悬挂的指针，请使用std::weak_ptr。
std::weak_ptr的潜在用例包括缓存、观察者列表以及防止std::shared_ptr循环。