面试题：C++ 智能指针的内存管理与循环引用问题

Question

假设有两个类A和B，A类中有一个std::shared_ptr<B>类型的成员变量，B类中有一个std::shared_ptr<A>类型的成员变量，这可能会导致循环引用问题。请编写代码展示这种循环引用情况，并说明如何使用std::weak_ptr来解决该问题。

Answer 1

展示循环引用情况的代码

#include <iostream>
#include <memory>

class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b;
    ~A() {
        std::cout << "A destroyed" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a;
    ~B() {
        std::cout << "B destroyed" << std::endl;
    }
};

void testCycle() {
    std::shared_ptr<A> ptrA = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> ptrB = std::make_shared<B>();
    ptrA->b = ptrB;
    ptrB->a = ptrA;
}

在上述代码中，testCycle函数创建了A和B的shared_ptr实例，并互相持有对方的shared_ptr，这就形成了循环引用。当函数结束时，ptrA和ptrB的引用计数不会归零，A和B的析构函数不会被调用，造成内存泄漏。

使用std::weak_ptr解决循环引用问题的代码

#include <iostream>
#include <memory>

class B;

class A {
public:
    std::weak_ptr<B> b;
    ~A() {
        std::cout << "A destroyed" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a;
    ~B() {
        std::cout << "B destroyed" << std::endl;
    }
};

void testNoCycle() {
    std::shared_ptr<A> ptrA = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> ptrB = std::make_shared<B>();
    ptrA->b = ptrB;
    ptrB->a = ptrA;
}

在这个改进版本中，A类和B类中的成员变量改为std::weak_ptr类型。weak_ptr不会增加对象的引用计数，这样当testNoCycle函数结束时，ptrA和ptrB的引用计数会归零，A和B的析构函数会被调用，避免了循环引用导致的内存泄漏。如果需要通过weak_ptr访问对象，可以使用lock方法，例如：

void accessObject() {
    std::shared_ptr<A> ptrA = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> ptrB = std::make_shared<B>();
    ptrA->b = ptrB;
    ptrB->a = ptrA;

    std::shared_ptr<B> lockedB = ptrA->b.lock();
    if (lockedB) {
        // 可以安全地使用lockedB
    }
}