2.4 weak_ptr：旁观者与循环引用坏账
2.4 weak_ptr：旁观者与循环引用坏账
本节摘要：shared_ptr 的引用计数有一个制度盲区：互相持有的两个对象把对方的计数永久锁在一以上，谁也销不了账——这就是循环引用坏账。weak_ptr 是不担责的旁观者：指向共享对象却不入计数，用时临时申请短期户主资格（lock），对象已亡则明确告知。本节先复现坏账，再动手拆解。
本章的账户体系已立起独占与共享两本账，还剩最后一角：共享账户的盲区。2.3 说计数归零就销账，可如果两个对象互相把对方记在自己名下，计数永远减不到零。本节先让这笔坏账在眼前发生，再上 weak_ptr 这味药。它同时补齐另一个需求：想"观察"某个共享对象却不想延长它的寿命——缓存、观察者模式都靠它。
先复现坏账
两个人互相在对方账本上记了名，谁也无法先退出：
#include <cstdio> #include <memory> struct Node { int id; std::shared_ptr<Node> partner; // 共享持有对方：入计数 explicit Node(int i) : id(i) { std::printf(" 开户 节点 %d\n", id); } ~Node() { std::printf(" 销账 节点 %d\n", id); } }; int main() { auto a = std::make_shared<Node>(1); auto b = std::make_shared<Node>(2); a->partner = b; // b 计数：1 → 2 b->partner = a; // a 计数：1 → 2 std::printf("互记完成后，a 计数 %ld，b 计数 %ld\n", static_cast<long>(a.use_count()), static_cast<long>(b.use_count())); return 0; } // a、b 离开作用域：计数都只从 2 减到 1，销账条件永不满足
输出（注意结尾——没有销账记录）：
开户 节点 1 开户 节点 2 互记完成后，a 计数 2，b 计数 2
main 返回后什么都没打印。两个节点各自还剩一名户主（对方），计数归零的条件永远不成立，两块内存连同它们的一切资源整体锁死——这是第 1 章四类坏账之外的第五类：制度性泄漏，代码里没有任何一行"忘了 delete"，坏账由记账制度自身制造。
图 2-4 循环引用：计数锁死与旁观者拆解
一、拆解：把单向关系改成旁观
坏账的根源是关系不平等却用了平等的记账方式。节点 A 与 B 的关系里总有一方是"主"、一方是"从"：父子树里父拥有子，缓存里缓存拥有数据、使用者只观察。审计口诀是：拥有方用 shared_ptr，被指但不拥有的一方用 weak_ptr。改造上面的坏账：
#include <cstdio> #include <memory> struct Node { int id; std::shared_ptr<Node> partner; // 拥有关系：入计数 std::weak_ptr<Node> observer; // 观察关系：不入计数 explicit Node(int i) : id(i) { std::printf(" 开户 节点 %d\n", id); } ~Node() { std::printf(" 销账 节点 %d\n", id); } }; int main() { auto a = std::make_shared<Node>(1); auto b = std::make_shared<Node>(2); a->partner = b; // B 被 A 拥有：计数 2 b->observer = a; // A 仅被 B 观察：计数保持 1 std::printf("a 计数 %ld，b 计数 %ld\n", static_cast<long>(a.use_count()), static_cast<long>(b.use_count())); if (auto locked = b->observer.lock()) { // 临时申请户主资格 std::printf("旁观者读到节点 %d\n", locked->id); } return 0; } // a 计数 1 → 0 销账，b 随之销账
输出确定：
开户 节点 1 开户 节点 2 a 计数 1，b 计数 2 旁观者读到节点 1 销账 节点 1 销账 节点 2
两行销账如约出现。weak_ptr 的精髓在 lock() 那两行：旁观者想用对象，必须临时申请短期户主资格；申请成功拿到一个 shared_ptr（用完即还），申请失败拿到空指针——对象已亡，走到安全分支。这个"检查加使用"是原子动作，不存在查完那刻对象刚好销账的竞态，比裸指针"先判断后使用"的原始做法可靠得多。
二、案例：缓存失效的账目审计
背景：ProfileService 的会话缓存把用户会话对象存进 map，客户端断开后会话理应销账，但内存曲线显示会话对象持续累积。
操作：先查计数。给会话类挂上 use_count 日志，发现每个会话除了缓存本账外，还被"回调上下文"持有一条 shared_ptr——客户端断开后回调上下文没清，会话计数停在 1。梳理所有权后重构：缓存持有会话（shared_ptr），回调上下文改为 weak_ptr 观察；回调触发时先 lock，锁不到说明会话已亡，直接走重连分支。
结果：会话对象随客户端断开准时销账；回调持有陈旧会话引发的另一处逻辑错误（给已亡会话发消息）也一并消失——lock 返回空让这条路径显式可见。
解读：这单坏账和 1.4 的泄漏同症不同根：那次是控制流甩掉销账，这次是所有权定义模糊——"回调算不算户主"没在设计里回答，代码就默认答了"算"。weak_ptr 的价值正是把"不算户主"变成类型里可声明的选项。审计方法也值得记：怀疑制度性泄漏时，把 use_count 当账单读，找出每一条"多余的户主"。
变式：观察者模式是 weak_ptr 的主场——主题持有观察者列表用 weak_ptr，观察者销亡后主题侧 lock 失败即剔除，无需显式注销。树结构里"子指向父"的回边、协程与句柄互相引用，都是同一药方。判别式始终一条：这条引用销账吗？不销账就 weak。
⚠️ 常见坑：把 weak_ptr 当"不会悬垂的裸指针"到处替换。weak_ptr 不入计数意味着每次使用都要 lock，高频热路径上反复 lock/unlock 是可见开销；更关键的是它改变了语义——如果你本该拥有（比如父节点对子节点），用 weak 表达会让对象意外提前销亡。先定所有权，再选指针。
本节要点回顾
- 循环引用是制度性泄漏：互相持有的 shared_ptr 把计数锁在一以上，代码无一行错误却整体锁死。
- 审计口诀：拥有入账（shared_ptr），观察旁观（weak_ptr）；画所有权图先分主从。
- lock 是标准动作：临时申请短期户主资格，检查与使用原子完成，失败返回空。
- 销账时点重归可控：旁观者不延长寿命，对象用完即走，缓存与观察者场景的正解。
- use_count 当账单读：怀疑共享账户泄漏时，逐条核对户主，揪出"多余的那一位"。
- weak_ptr 不是免费的裸指针：每次使用需 lock，高频路径与拥有语义场景都不适用。
到这里，第 2 章把销账责任从人工彻底移交给类型系统。下一章转入账目流转的微观世界：引用与指针怎么选、const 冻结什么、移动语义为什么是过户——对象在函数之间的每一次传递，都有一笔可审计的账。