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面试题：循环引用两个节点相互引用，如何判断哪个用 shared_ptr？哪个用 weak_ptr？

backend 2025/5/19 2:50:54

1.引言

2.原理

3.所有权模型与指针选择

4.复杂场景的决策策略

5.注意事项

6.总结

1.引言

当两个对象通过 shared_ptr 相互引用时，会产生循环引用问题，导致内存泄漏。因为这两个对象的引用计数永远不会变为 0，即使它们在程序的其他部分已经不被使用了。

典型循环引用：

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;classB; // 前置声明classA {
public:shared_ptr<B> b_ptr;~A() { cout << "A destroyed" << endl; }
};classB {
public:shared_ptr<A> a_ptr;~B() { cout << "B destroyed" << endl; }
};voidtest(){shared_ptr<A> a = make_shared<A>();shared_ptr<B> b = make_shared<B>();a->b_ptr = b;b->a_ptr = a;
} 
// test结束时，a和b的引用计数均为1，对象未销毁

解决方案是打破这个循环，通常是让其中一个对象使用 weak_ptr 指向另一个对象，而另一个对象使用 shared_ptr。这里决定使用 shared_ptr 还是 weak_ptr 的关键在于所有权关系的分析。

2.原理

std::shared_ptr 会对所管理的对象进行引用计数，每有一个 std::shared_ptr 指向该对象，引用计数就会加 1；当引用计数降为 0 时，对象会被自动销毁，影响引用次数的场景包括：构造、赋值、析构。
std::weak_ptr 是一种弱引用，它不会增加所管理对象的引用计数，主要用于观察 std::shared_ptr 所管理的对象，避免循环引用。

3.所有权模型与指针选择

一般来说，应该在拥有对象所有权的地方使用 std::shared_ptr，在只需要观察对象、不拥有对象所有权的地方使用 std::weak_ptr。以下通过几个具体场景进行说明：

场景一：父节点和子节点的关系

#include <iostream>
#include <memory>class Child;class Parent {
public:std::shared_ptr<Child> child;~Parent() {std::cout << "Parent destroyed" << std::endl;}
};class Child {
public:std::weak_ptr<Parent> parent;~Child() {std::cout << "Child destroyed" << std::endl;}
};int main() {auto parent = std::make_shared<Parent>();parent->child = std::make_shared<Child>();parent->child->parent = parent;return 0;
}

在上述代码里，Parent 类使用 std::shared_ptr 拥有 Child 对象的所有权，而 Child 类使用 std::weak_ptr 观察 Parent 对象，这样就避免了循环引用。

场景二：观察者模式

在观察者模式中，主题对象通常拥有观察者对象的所有权，而观察者对象只是对主题对象进行观察。所以，主题对象使用 std::shared_ptr 指向观察者对象，观察者对象使用 std::weak_ptr 指向主题对象。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>class Observer;class Subject {
public:std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers;~Subject() {std::cout << "Subject destroyed" << std::endl;}
};class Observer {
public:std::weak_ptr<Subject> subject;~Observer() {std::cout << "Observer destroyed" << std::endl;}
};int main() {auto subject = std::make_shared<Subject>();auto observer = std::make_shared<Observer>();subject->observers.push_back(observer);observer->subject = subject;return 0;
}

在这个例子中，Subject 类使用 std::shared_ptr 拥有 Observer 对象的所有权，而 Observer 类使用 std::weak_ptr 观察 Subject 对象，防止了循环引用的产生。

4.复杂场景的决策策略

场景一：多所有者场景

若多个对象共享某资源，需由顶层管理者持有shared_ptr，其余使用weak_ptr。

示例：缓存系统设计

#include <unordered_map>class CacheManager;class Resource {
public:weak_ptr<CacheManager> manager;  // 弱引用管理器
};class CacheManager : public enable_shared_from_this<CacheManager> {
public:void addResource(int id){resources[id] = make_shared<Resource>();resources[id]->manager = shared_from_this();  // 关键行}
};

说明：CacheManager拥有所有Resource，Resource通过weak_ptr反向引用管理器。

场景二：无明确所有权场景

若对象间无明确从属关系，需重新审视设计或使用双向weak_ptr。

示例：聊天室和用户

#include <memory>
#include <vector>
#include <iostream>
usingnamespace std;class ChatRoom;class User {
public:string name;vector<weak_ptr<ChatRoom>> rooms;  // 弱引用聊天室
};class ChatRoom {
public:string name;vector<weak_ptr<User>> users;  // 弱引用用户
};intmain(){auto alice = make_shared<User>("Alice");auto general = make_shared<ChatRoom>("General");return 0;
}

说明：用户（User）可以加入多个聊天室，聊天室（ChatRoom）包含多个用户，但是他们互相并没有所有权关系，所以使用双向weak_ptr，用户和聊天室的生命周期由外部系统管理！

5.注意事项

1）weak_ptr 的安全访问

使用weak_ptr时需通过lock()获取shared_ptr，并检查有效性。

void accessParent(shared_ptr<Child> child) {if (auto parent = child->parent.lock()) {cout << "Parent is alive: " << parent << endl;} else {cout << "Parent has been destroyed" << endl;}
}

2）循环引用的检测工具

Valgrind、AddressSanitizer 等工具可辅助检测内存泄漏。

静态代码分析器（如 Clang-Tidy）可识别潜在循环引用。