图解C++智能指针的循环引用

循环引用是学习智能指针过程中的一个小难点，笔者愚钝，明明知道是两个指针互相引用导致了内存泄漏，但看各种文字资料时，脑子里总是一团浆糊，感觉似懂非懂，于是自己绘制了几张图片，思路和概念才清晰起来，希望这篇博客能帮助有同样困惑的同学解惑。

shared_ptr 的实现

要明白循环引用，我们首先需要知道shared_ptr是如何实现的，它内部包含两个指针，一个指向我们要管理的资源对象，另一个指向则指向这个对象所对应的控制块。在这个控制块中，包含了这个对象的强引用计数，当我们第一次声明一个shared_ptr变量时，就会为这个资源对象分配一个控制块，并将强引用计数初始化为1。
当有新的shared_ptr对象拥有这个资源的时候，强引用计数就会+1，当shared_ptr对象销毁或者调用.reset()方法时，强引用计数就会-1，当强引用计数为0时，这个资源就会析构。这样我们就通过RAII来避免了内存的泄露。

循环引用

这看起来是一个很完美的设计，但是shared_ptr管理的资源和shared_ptr对象本身是两块内存，并且shared_ptr管理的资源本身也可以包含一个shared_ptr对象并持有资源，这样就会导致，一旦两个资源本身互相持有，那么他们析构的条件就是对方析构，这就会导致内存的泄露。

这么说可能有些模糊，我们直接来看例子：

class A {
public:
    std::shared_ptr<A> ptr;
    ...
}
int main() {
    // code I
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<A> b = std::make_shared<A>(); 
    // code II
    a->ptr = b;
    b->ptr = a;
    return 0;
}

code I 运行完毕后，我们会在堆中创建两个A类的对象，我们将其称之为OBJ_A和OBJ_B，同时栈上会有两个std::shared_ptr<A>对象a和b，他们分别指向OBJ_A和OBJ_B以及他们各自的控制块CB_A和CB_B,如下图所示

此时两个控制块的引用计数都是1，当我们运行Code II后，OBJ_A和OBJ_B会拥有对对方的所有权，他们的引用计数都变为2

这个时候代码运行完毕，a和b作为栈上的对象被销毁，OBJ_A和OBJ_B的引用计数都下降为1，但是由于此时他们都持有指向彼此的shared_ptr对象，引用计数仍为1，不会继续下降，这块内存就不会被释放，造成了内存泄露。

weak_ptr的引入

为了解决这个问题，我们引入了weak_ptr，它不拥有资源的所有权，指向资源的时候只会增加弱引用计数而非强引用计数，弱引用计数不决定资源的生命周期，只决定控制块的生命周期，当弱引用计数为0时销毁控制块。
需要注意的是，shared_ptr也会让弱引用计数+1。

class A {
public:
    std::weak_ptr<A> ptr;
    ...
}
int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<A> b = std::make_shared<A>();
    a->ptr = b;
    b->ptr = a;
    return 0;
}

当我们使用上面的代码时，几个对象的声明周期如下图所示：

在b和a离开作用域后

1. b析构，CB_B的强引用计数-1为0，弱引用计数-1=1

2. OBJ_B析构，CB_A的弱引用计数-1=1

3. a析构，CB_A的强引用计数-1为0，弱引用计数-1=0

4. OBJ_A和CB_A析构，CB_B的弱引用计数-1=0

5. CB_B析构