Item20：当shared_ptr可能悬空时使用weak_ptr

std::weak_ptr 是 std::shared_ptr 的辅助智能指针，不独立存在，特点如下：

不参与资源所有权共享，不影响指向对象的引用计数
能检测自身是否悬空（过期），即指向的对象是否已被销毁
无法直接解引用、无法直接判空，需借助 std::shared_ptr 实现安全访问

基础用法

创建

从 std::shared_ptr 直接创建，两者指向同一对象，且不会增加对象的引用计数：

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auto spw = std::make_shared<Widget>(); // 对象引用计数(RC)=1
std::weak_ptr<Widget> wpw(spw);        // RC仍为1，wpw与spw指向同一对象
spw = nullptr;                         // RC=0，对象销毁，wpw悬空（过期）

安全访问对象（解决竞态条件）

单独调用 expired() 判断是否过期存在竞态风险（检查后到访问前，对象可能被其他线程销毁），需通过原子操作同时完成 “检查 + 访问”，有两种方式：

方式	操作	效果
`lock()` 成员函数	`auto sp = wpw.lock();`	若 `wpw` 未过期，返回指向对象的 `shared_ptr`；若过期，返回空 `shared_ptr`
`shared_ptr` 构造函数	`std::shared_ptr<Widget> sp(wpw);`	若 `wpw` 未过期，构造成功；若过期，抛出 `std::bad_weak_ptr` 异常

应用场景

std::weak_ptr 用于处理 shared_ptr 可能悬空的场景，有三类：

1. 可自动清理的缓存（工厂函数优化）

需求：工厂函数加载对象的操作昂贵，需缓存结果；同时要求对象无人使用时，缓存自动销毁，避免占用资源
实现方案：
- 缓存容器存储 std::weak_ptr<const Widget>，不影响对象生命周期
- 工厂函数返回 std::shared_ptr<const Widget>，由调用者管理对象生命周期
- 每次请求时，通过 lock() 检查缓存对象是否有效，无效则重新加载并缓存

std::shared_ptr<const Widget> fastLoadWidget(WidgetID id)
{
    static std::unordered_map<WidgetID, std::weak_ptr<const Widget>> cache;
    auto objPtr = cache[id].lock(); // 原子化检查+获取
    if (!objPtr) {
        objPtr = loadWidget(id);    // 加载新对象
        cache[id] = objPtr;         // 存入缓存
    }
    return objPtr;
}

2. 观察者模式的观察者列表

需求：被观察者（subject）需持有观察者（observer）的指针，用于状态变更通知；但被观察者不控制观察者的生命周期，需避免访问已销毁的观察者
实现方案：被观察者的观察者列表存储 std::weak_ptr<Observer>，通知前通过 lock() 检查观察者是否有效，无效则跳过

3. 打破 `std::shared_ptr` 循环引用

问题：若两个对象互相持有对方的 std::shared_ptr，会形成循环引用，导致引用计数无法归零，对象无法销毁，造成内存泄漏
解决：将其中一方的 shared_ptr 替换为 weak_ptr，weak_ptr 不影响对方的引用计数，打破循环
补充：严格分层结构（如树）中，子节点生命周期由父节点管理，子到父的反向引用可用原始指针，无需 weak_ptr

效率特性

大小：与 std::shared_ptr 相同
底层：与 std::shared_ptr 共用控制块
性能：构造、析构、赋值操作涉及原子操作，效率与 shared_ptr 基本一致
引用计数细节：控制块存在两个引用计数，weak_ptr 操作的是第二个计数

总结

用 std::weak_ptr 替代可能悬空的 std::shared_ptr，避免悬空访问的未定义行为
std::weak_ptr 的三大典型场景：缓存、观察者列表、打破 shared_ptr 循环引用