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std::shared_ptr 与 std::weak_ptr

标准 难度 状态 分级 证据 审阅 最后校验
C++11 3/5 final A 3 条（manual 3） 单审（zyuhao7） 2026-10-30

编译器支持：GCC 4.4+ · Clang 3.0+ · MSVC 16.0+。版本查询：cppreference 编译器支持。

主张与证据

主张 支持证据
用 make_shared 创建处理器并让异步队列共享其生命周期 ev-drogon-shared-ptr-binder-001
用 shared_ptr 返回注册表中的 logger，共享同一实例 ev-spdlog-shared-ptr-registry-002
异步回调只保存 weak_ptr，调用前 lock 检查对象是否存活 ev-glaze-weak-ptr-websocket-003

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解决什么问题

有些对象天然被多个所有者共享：连接、缓存项、事件回调可能跨越多个线程或异步任务。用裸指针共享时要手工约定“谁最后释放”，引用计数稍微写错就会提前析构或泄漏。unique_ptr 又只能有一个所有者，复制会被编译器拒绝。

std::shared_ptr 用控制块保存引用计数，最后一个所有者析构时释放对象；std::weak_ptr 观察共享对象但不增加计数，用来打破循环引用或在访问前检查对象是否还活着。标准提案为 N2351。

基础用法

std::make_shared 一次分配对象与控制块；use_count() 查看当前强引用数；weak_ptr::lock() 在对象存活时取得 shared_ptr。

#include <iostream>
#include <memory>

struct Node {
  std::shared_ptr<Node> next;
  std::weak_ptr<Node> parent;
  int value = 0;
};

int main() {
  auto first = std::make_shared<Node>();
  auto second = std::make_shared<Node>();
  first->value = 1;
  second->value = 2;
  first->next = second;
  second->parent = first;

  std::cout << first.use_count() << ' ' << second.use_count() << '\n';
  if (auto locked = second->parent.lock()) {
    std::cout << locked->value << '\n';
  }
  first.reset();
  std::cout << (second->parent.expired() ? "expired" : "alive") << '\n';
}

输出 1 2、1 与 expired。parent 用 weak_ptr 保存，因此 first 的计数仍为 1；first.reset() 后父节点没有其他强引用，expired() 转为真。若改成 shared_ptr，两个节点会互相持有，计数永远不归零。完整版本见 examples/cpp11/shared_ptr.cpp。

进阶用法

make_shared 把对象与控制块放在同一次分配里，缓存更友好，构造异常时也不会泄漏；代价是内存要等最后一个 weak_ptr 消失才释放，因为控制块与对象同块。直接用 shared_ptr(new T) 则分成两次分配，但控制块可以独立存活，适合对象远大于控制块的场景。

别名构造函数 shared_ptr<T>(other, ptr) 共享 other 的控制块却指向 ptr，用于指向成员或数组元素：计数跟着 other 走，ptr 不需要单独的所有权。它不做类型转换，也不延长 ptr 所指对象的独立生命周期。

enable_shared_from_this 让对象在成员函数里取得自身的共享句柄；C++17 增加 weak_from_this 返回 weak_ptr。前提是对象已经由某个 shared_ptr 管理，否则 shared_from_this() 抛 bad_weak_ptr。异步回调里通常保存 weak_ptr 并在调用前 lock()，避免回调延长对象寿命，glaze 的 websocket 客户端就是这样处理析构竞态的。

引用计数是原子的，但对象本身不是：多个线程可以安全地复制、销毁 shared_ptr，同时读写同一对象的成员仍需自己的锁。C++20 提供 std::atomic<std::shared_ptr<T>> 用于原子替换指针本身。

控制块的分配可以定制：传入自定义删除器和分配器，删除器在最后一个强引用消失时调用，分配器在控制块释放时调用。数组支持从 C++20 开始，此前的 shared_ptr<T[]> 需要自定义删除器。

真实项目证据

项目 位置 用法 为什么典型
drogon lib/inc/drogon/HttpAppFramework.h#L542-L545 make_shared 创建处理器，lambda 按值捕获 异步任务与注册表共享对象，引用计数延长寿命
spdlog include/spdlog/details/registry-inl.h#L86-L90 注册表按名字返回 shared_ptr<logger> 多个调用点共享同一 logger，复制句柄即可
glaze include/glaze/net/websocket_client.hpp#L269-L282 回调捕获 weak_ptr，lock() 失败即返回 异步操作晚于对象析构到达时，回调自然不会悬空

三条证据均为 manual 级：作者复核，尚未引入第二名审核者。三处都在生产路径上，覆盖共享处理器、共享注册项与弱引用回调三种形态。

陷阱与边界

循环引用会泄漏。 两个对象互相持有 shared_ptr 时，计数无法归零。父子、前后向关系至少有一侧改用 weak_ptr，并在访问前 lock()。

weak_ptr 不能直接解引用。 必须先 lock() 得到 shared_ptr，检查非空后再用；直接取出裸指针可能在另一线程释放后悬空。

make_shared 与 shared_ptr(new T) 的差异。 前者一次分配对象和控制块，通常更快；但对象与控制块同生命周期，若还有 weak_ptr，内存要等弱引用也消失才释放。

不要用同一裸指针构造多个 shared_ptr。 每个控制块独立计数，最终会二次释放。需要从 this 获得共享句柄时用 enable_shared_from_this。

引用计数是原子的，对象不是。 多个线程可以安全地复制、销毁 shared_ptr，但同时对同一对象成员读写仍需要自己的同步。

别名构造不是类型转换。 shared_ptr<T>(other, ptr) 共享 other 的控制块但指向 ptr，用于指向成员或子对象；它不会延长 ptr 的独立生命周期。

shared_from_this() 要求对象已被共享拥有。 在构造函数里调用、或对象由栈上或 unique_ptr 持有时，会抛 bad_weak_ptr。

库联动

  • <memory>：std::make_shared、std::static_pointer_cast / dynamic_pointer_cast、std::owner_less 是共享所有权的常用配套。
  • <atomic>：C++20 的 std::atomic<std::shared_ptr<T>> 提供原子加载、存储与比较交换，适合读多写少的配置替换。
  • spdlog / drogon：日志注册表按名字返回共享 logger，Web 框架把处理器放进 make_shared 后交给事件循环。
  • glaze / Boost.Asio：异步回调按 weak_ptr 捕获并在入口 lock()，是客户端库避免悬空的通用写法。
  • std::unique_ptr：只有一个所有者时优先用独占指针，省掉原子计数与控制块。

横向对比

方案 所有权 复制成本 循环引用风险 主要限制
unique_ptr 独占 禁止复制 无 无法共享
shared_ptr 共享 原子计数增减 有 控制块与原子操作成本
weak_ptr 不拥有 原子弱计数 无 使用前必须 lock()
裸指针观察 不拥有 无 无 无法判断对象是否仍存活
值语义 / optional 独占 值复制或移动 无 大对象复制昂贵，不适合多态

跨标准演进：C++11 引入 shared_ptr、weak_ptr、make_shared 与 enable_shared_from_this；C++17 增加 weak_from_this；C++20 起 make_shared 支持数组类型，并提供 std::atomic<std::shared_ptr>。