如何在C++中正确使用std::shared_ptr避免循环引用？

作者

循环引用是智能指针使用中的常见陷阱，尤其在std::shared_ptr的配合下会导致内存泄漏。下面从根本原理、典型场景和解决方案三方面系统剖析并给出最佳实践。

一、循环引用的根源

  1. 引用计数：std::shared_ptr 通过引用计数实现自动释放，当计数归零时才析构对象。
  2. 互相引用：如果对象 A 的 std::shared_ptr 指向对象 B，B 又通过 std::shared_ptr 指向 A，双方计数永不为零，导致两者始终驻留内存。

二、典型场景

  1. 父子关系：父节点保存子节点的 std::shared_ptr，子节点持有父节点的 std::shared_ptr。
  2. 双向链表：节点 A 的 next 指向 B，B 的 prev 指向 A。
  3. 图结构：节点间存在复杂的相互引用。

三、解决策略

  1. 使用 std::weak_ptr

    • 弱引用：不计入引用计数，避免循环。
    • 用法：当 A 需要访问 B 时，用 std::weak_ptr 获取临时 std::shared_ptr： 
      std::weak_ptr <Node> parent;  // 父节点
// 在需要时
if (auto p = parent.lock()) {
    // p 现在是 shared_ptr
}
    • 父子案例：父节点使用 std::shared_ptr 保存子节点；子节点用 std::weak_ptr 保存父节点。

  2. 设计更清晰的责任链

    • 单向关联：尽量让引用单向流动，避免双向持有。
    • 解耦：通过事件回调、观察者模式或依赖注入减少直接引用。

  3. 使用 std::unique_ptr

    • 所有权单一：若对象间不存在共享所有权，可改用 std::unique_ptr。
    • 传递所有权：在需要时使用 std::move 将所有权转移，天然防止循环。

  4. 自定义删除器

    • 在特殊情况下，可通过自定义删除器配合 shared_ptr 进行复杂销毁逻辑，但要谨慎使用。

四、代码示例 

#include <memory>
#include <iostream>

struct Node {
    int id;
    std::shared_ptr <Node> next;      // 单向指向下一个
    std::weak_ptr <Node> prev;        // 弱引用指向前一个
    Node(int i) : id(i) { std::cout << "Node " << id << " constructed\n"; }
    ~Node() { std::cout << "Node " << id << " destroyed\n"; }
};

int main() {
    auto n1 = std::make_shared <Node>(1);
    auto n2 = std::make_shared <Node>(2);
    auto n3 = std::make_shared <Node>(3);

    // 建立双向链表
    n1->next = n2; n2->prev = n1;
    n2->next = n3; n3->prev = n2;

    // 结束时自动销毁，无泄漏
    return 0;
}

输出 

Node 1 constructed
Node 2 constructed
Node 3 constructed
Node 3 destroyed
Node 2 destroyed
Node 1 destroyed

可见，使用 weak_ptr 使前驱不计数，链表完整销毁。

五、常见误区

  1. 忽略 weak_ptr 的锁定：.lock() 可能返回空指针，需判断。
  2. 混用 unique_ptr 与 shared_ptr：在同一对象上混用可能导致析构时出现多重删除。
  3. 错误的生命周期管理：在多线程场景中，仍需考虑线程安全，使用 std::shared_mutex 或 std::atomic 保护。

六、总结

  • 理解引用计数：循环引用导致计数永不归零。
  • 优先使用 weak_ptr：在需要引用但不拥有所有权的地方。
  • 简化设计：尽量单向引用，或用 unique_ptr 断开所有权。

只要在设计初期就预见到可能的循环引用并合理利用 std::weak_ptr 与 std::unique_ptr，就能避免 C++ 中最常见的智能指针泄漏问题。

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