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HTML
<!DOCTYPE HTML>
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<html lang="zh" class="sidebar-visible no-js light">
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<head>
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<!-- Book generated using mdBook -->
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<meta charset="UTF-8">
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<title>Item 20:当std::shared_ptr可能悬空时使用std::weak_ptr - Effective Modern C++</title>
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<!-- Custom HTML head -->
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<meta content="text/html; charset=utf-8" http-equiv="Content-Type">
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<meta name="description" content="">
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<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1">
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<meta name="theme-color" content="#ffffff" />
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<link rel="icon" href="../favicon.svg">
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<link rel="shortcut icon" href="../favicon.png">
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<link rel="stylesheet" href="../css/variables.css">
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<link rel="stylesheet" href="../css/general.css">
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<link rel="stylesheet" href="../css/chrome.css">
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<link rel="stylesheet" href="../css/print.css" media="print">
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<!-- Fonts -->
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<link rel="stylesheet" href="../FontAwesome/css/font-awesome.css">
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<link rel="stylesheet" href="../fonts/fonts.css">
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<!-- Highlight.js Stylesheets -->
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<link rel="stylesheet" href="../highlight.css">
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<link rel="stylesheet" href="../tomorrow-night.css">
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<link rel="stylesheet" href="../ayu-highlight.css">
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<!-- Custom theme stylesheets -->
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<!-- MathJax -->
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<script async type="text/javascript" src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/mathjax/2.7.1/MathJax.js?config=TeX-AMS-MML_HTMLorMML"></script>
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</head>
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<body>
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<!-- Provide site root to javascript -->
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<script type="text/javascript">
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var path_to_root = "../";
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var default_theme = window.matchMedia("(prefers-color-scheme: dark)").matches ? "navy" : "light";
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</script>
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<!-- Work around some values being stored in localStorage wrapped in quotes -->
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<script type="text/javascript">
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try {
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var theme = localStorage.getItem('mdbook-theme');
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var sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar');
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||
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if (theme.startsWith('"') && theme.endsWith('"')) {
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||
localStorage.setItem('mdbook-theme', theme.slice(1, theme.length - 1));
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}
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||
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||
if (sidebar.startsWith('"') && sidebar.endsWith('"')) {
|
||
localStorage.setItem('mdbook-sidebar', sidebar.slice(1, sidebar.length - 1));
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||
}
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} catch (e) { }
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</script>
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<!-- Set the theme before any content is loaded, prevents flash -->
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<script type="text/javascript">
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var theme;
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try { theme = localStorage.getItem('mdbook-theme'); } catch(e) { }
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if (theme === null || theme === undefined) { theme = default_theme; }
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var html = document.querySelector('html');
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html.classList.remove('no-js')
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html.classList.remove('light')
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html.classList.add(theme);
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html.classList.add('js');
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</script>
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<!-- Hide / unhide sidebar before it is displayed -->
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<script type="text/javascript">
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var html = document.querySelector('html');
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var sidebar = 'hidden';
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if (document.body.clientWidth >= 1080) {
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try { sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar'); } catch(e) { }
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sidebar = sidebar || 'visible';
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}
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html.classList.remove('sidebar-visible');
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html.classList.add("sidebar-" + sidebar);
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</script>
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<nav id="sidebar" class="sidebar" aria-label="Table of contents">
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<div class="sidebar-scrollbox">
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<ol class="chapter"><li class="chapter-item expanded "><a href="../Introduction.html">简介</a></li><li class="chapter-item expanded "><div>第一章 类型推导</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item1.html">Item 1:理解模板类型推导</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item2.html">Item 2:理解auto类型推导</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item3.html">Item 3:理解decltype</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../1.DeducingTypes/item4.html">Item 4:学会查看类型推导结果</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第二章 auto</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../2.Auto/item5.html">Item 5:优先考虑auto而非显式类型声明</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../2.Auto/item6.html">Item 6:auto推导若非己愿，使用显式类型初始化惯用法</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第三章 移步现代C++</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item7.html">Item 7:区别使用()和{}创建对象</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item8.html">Item 8:优先考虑nullptr而非0和NULL</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item9.html">Item 9:优先考虑别名声明而非typedefs</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item10.html">Item 10:优先考虑限域枚举而非未限域枚举</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item11.html">Item 11:优先考虑使用deleted函数而非使用未定义的私有声明</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item12.html">Item 12:使用override声明重载函数</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item13.html">Item 13:优先考虑const_iterator而非iterator</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item14.html">Item 14:如果函数不抛出异常请使用noexcept</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item15.html">Item 15:尽可能的使用constexpr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item16.html">Item 16:让const成员函数线程安全</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../3.MovingToModernCpp/item17.html">Item 17:理解特殊成员函数函数的生成</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第四章 智能指针</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item18.html">Item 18:对于独占资源使用std::unique_ptr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item19.html">Item 19:对于共享资源使用std::shared_ptr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item20.html" class="active">Item 20:当std::shared_ptr可能悬空时使用std::weak_ptr</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item21.html">Item 21:优先考虑使用std::make_unique和std::make_shared而非new</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../4.SmartPointers/item22.html">Item 22:当使用Pimpl惯用法，请在实现文件中定义特殊成员函数</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第五章 右值引用，移动语义，完美转发</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item23.html">Item 23:理解std::move和std::forward</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item24.html">Item 24:区别通用引用和右值引用</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item25.html">Item 25:对于右值引用使用std::move，对于通用引用使用std::forward</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item26.html">Item 26:避免重载通用引用</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item27.html">Item 27:熟悉重载通用引用的替代品</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item28.html">Item 28:理解引用折叠</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item29.html">Item 29:认识移动操作的缺点</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../5.RRefMovSemPerfForw/item30.html">Item 30:熟悉完美转发失败的情况</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第六章 Lambda表达式</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../6.LambdaExpressions/item31.html">Item 31:避免使用默认捕获模式</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../6.LambdaExpressions/item32.html">Item 32:使用初始化捕获来移动对象到闭包中</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../6.LambdaExpressions/item33.html">Item 33:对于std::forward的auto&&形参使用decltype</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../6.LambdaExpressions/item34.html">Item 34:优先考虑lambda表达式而非std::bind</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第七章 并发API</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../7.TheConcurrencyAPI/Item35.html">Item 35:优先考虑基于任务的编程而非基于线程的编程</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../7.TheConcurrencyAPI/item36.html">Item 36:如果有异步的必要请指定std::launch::async</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../7.TheConcurrencyAPI/item37.html">Item 37:从各个方面使得std::threads unjoinable</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../7.TheConcurrencyAPI/item38.html">Item 38:关注不同线程句柄析构行为</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../7.TheConcurrencyAPI/item39.html">Item 39:考虑对于单次事件通信使用void</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../7.TheConcurrencyAPI/item40.html">Item 40:对于并发使用std::atomic，volatile用于特殊内存区</a></li></ol></li><li class="chapter-item expanded "><div>第八章 微调</div></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item expanded "><a href="../8.Tweaks/item41.html">Item 41:对于那些可移动总是被拷贝的形参使用传值方式</a></li><li class="chapter-item expanded "><a href="../8.Tweaks/item42.html">Item 42:考虑就地创建而非插入</a></li></ol></li></ol>
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</div>
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<div id="sidebar-resize-handle" class="sidebar-resize-handle"></div>
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</nav>
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<div id="page-wrapper" class="page-wrapper">
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<div class="page">
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<div id="menu-bar-hover-placeholder"></div>
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<div id="menu-bar" class="menu-bar sticky bordered">
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<div class="left-buttons">
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<button id="sidebar-toggle" class="icon-button" type="button" title="Toggle Table of Contents" aria-label="Toggle Table of Contents" aria-controls="sidebar">
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<i class="fa fa-bars"></i>
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</button>
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<button id="theme-toggle" class="icon-button" type="button" title="Change theme" aria-label="Change theme" aria-haspopup="true" aria-expanded="false" aria-controls="theme-list">
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<i class="fa fa-paint-brush"></i>
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</button>
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<ul id="theme-list" class="theme-popup" aria-label="Themes" role="menu">
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="light">Light (default)</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="rust">Rust</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="coal">Coal</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="navy">Navy</button></li>
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<li role="none"><button role="menuitem" class="theme" id="ayu">Ayu</button></li>
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</ul>
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<button id="search-toggle" class="icon-button" type="button" title="Search. (Shortkey: s)" aria-label="Toggle Searchbar" aria-expanded="false" aria-keyshortcuts="S" aria-controls="searchbar">
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<i class="fa fa-search"></i>
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</button>
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</div>
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<h1 class="menu-title">Effective Modern C++</h1>
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<div class="right-buttons">
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<a href="../print.html" title="Print this book" aria-label="Print this book">
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<i id="print-button" class="fa fa-print"></i>
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</a>
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<a href="https://github.com/CnTransGroup/EffectiveModernCppChinese" title="Git repository" aria-label="Git repository">
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</a>
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</div>
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<div id="search-wrapper" class="hidden">
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<input type="search" id="searchbar" name="searchbar" placeholder="Search this book ..." aria-controls="searchresults-outer" aria-describedby="searchresults-header">
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</form>
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<div id="searchresults-outer" class="searchresults-outer hidden">
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<div id="searchresults-header" class="searchresults-header"></div>
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<ul id="searchresults">
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</ul>
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</div>
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</div>
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<!-- Apply ARIA attributes after the sidebar and the sidebar toggle button are added to the DOM -->
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<script type="text/javascript">
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document.getElementById('sidebar-toggle').setAttribute('aria-expanded', sidebar === 'visible');
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document.getElementById('sidebar').setAttribute('aria-hidden', sidebar !== 'visible');
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Array.from(document.querySelectorAll('#sidebar a')).forEach(function(link) {
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link.setAttribute('tabIndex', sidebar === 'visible' ? 0 : -1);
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});
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</script>
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<div id="content" class="content">
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<main>
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<h2 id="条款二十当stdshared_ptr可能悬空时使用stdweak_ptr"><a class="header" href="#条款二十当stdshared_ptr可能悬空时使用stdweak_ptr">条款二十：当<code>std::shared_ptr</code>可能悬空时使用<code>std::weak_ptr</code></a></h2>
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<p><strong>Item 20: Use <code>std::weak_ptr</code> for <code>std::shared_ptr</code>-like pointers that can dangle</strong></p>
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<p>自相矛盾的是，如果有一个像<code>std::shared_ptr</code>（见<a href="../4.SmartPointers/item19.html">Item19</a>）的但是不参与资源所有权共享的指针是很方便的。换句话说，是一个类似<code>std::shared_ptr</code>但不影响对象引用计数的指针。这种类型的智能指针必须要解决一个<code>std::shared_ptr</code>不存在的问题：可能指向已经销毁的对象。一个真正的智能指针应该跟踪所指对象，在悬空时知晓，悬空（<em>dangle</em>）就是指针指向的对象不再存在。这就是对<code>std::weak_ptr</code>最精确的描述。</p>
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<p>你可能想知道什么时候该用<code>std::weak_ptr</code>。你可能想知道关于<code>std::weak_ptr</code> API的更多。它什么都好除了不太智能。<code>std::weak_ptr</code>不能解引用，也不能测试是否为空值。因为<code>std::weak_ptr</code>不是一个独立的智能指针。它是<code>std::shared_ptr</code>的增强。</p>
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<p>这种关系在它创建之时就建立了。<code>std::weak_ptr</code>通常从<code>std::shared_ptr</code>上创建。当从<code>std::shared_ptr</code>上创建<code>std::weak_ptr</code>时两者指向相同的对象，但是<code>std::weak_ptr</code>不会影响所指对象的引用计数：</p>
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<pre><code class="language-cpp">auto spw = //spw创建之后，指向的Widget的
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std::make_shared<Widget>(); //引用计数（ref count，RC）为1。
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//std::make_shared的信息参见条款21
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…
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std::weak_ptr<Widget> wpw(spw); //wpw指向与spw所指相同的Widget。RC仍为1
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…
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spw = nullptr; //RC变为0，Widget被销毁。
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//wpw现在悬空
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</code></pre>
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<p>悬空的<code>std::weak_ptr</code>被称作已经<strong>expired</strong>（过期）。你可以用它直接做测试：</p>
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<pre><code class="language-CPP">if (wpw.expired()) … //如果wpw没有指向对象…
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</code></pre>
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<p>但是通常你期望的是检查<code>std::weak_ptr</code>是否已经过期，如果没有过期则访问其指向的对象。这做起来可不是想着那么简单。因为缺少解引用操作，没有办法写这样的代码。即使有，将检查和解引用分开会引入竞态条件：在调用<code>expired</code>和解引用操作之间，另一个线程可能对指向这对象的<code>std::shared_ptr</code>重新赋值或者析构，并由此造成对象已析构。这种情况下，你的解引用将会产生未定义行为。</p>
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<p>你需要的是一个原子操作检查<code>std::weak_ptr</code>是否已经过期，如果没有过期就访问所指对象。这可以通过从<code>std::weak_ptr</code>创建<code>std::shared_ptr</code>来实现，具体有两种形式可以从<code>std::weak_ptr</code>上创建<code>std::shared_ptr</code>，具体用哪种取决于<code>std::weak_ptr</code>过期时你希望<code>std::shared_ptr</code>表现出什么行为。一种形式是<code>std::weak_ptr::lock</code>，它返回一个<code>std::shared_ptr</code>，如果<code>std::weak_ptr</code>过期这个<code>std::shared_ptr</code>为空：</p>
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<pre><code class="language-cpp">std::shared_ptr<Widget> spw1 = wpw.lock(); //如果wpw过期，spw1就为空
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auto spw2 = wpw.lock(); //同上，但是使用auto
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</code></pre>
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<p>另一种形式是以<code>std::weak_ptr</code>为实参构造<code>std::shared_ptr</code>。这种情况中，如果<code>std::weak_ptr</code>过期，会抛出一个异常：</p>
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<pre><code class="language-cpp">std::shared_ptr<Widget> spw3(wpw); //如果wpw过期，抛出std::bad_weak_ptr异常
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</code></pre>
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<p>但是你可能还想知道为什么<code>std::weak_ptr</code>就有用了。考虑一个工厂函数，它基于一个唯一ID从只读对象上产出智能指针。根据<a href="../4.SmartPointers/item19.html">Item18</a>的描述，工厂函数会返回一个该对象类型的<code>std::unique_ptr</code>：</p>
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<pre><code class="language-cpp">std::unique_ptr<const Widget> loadWidget(WidgetID id);
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</code></pre>
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<p>如果调用<code>loadWidget</code>是一个昂贵的操作（比如它操作文件或者数据库I/O）并且重复使用ID很常见，一个合理的优化是再写一个函数除了完成<code>loadWidget</code>做的事情之外再缓存它的结果。当每个请求获取的<code>Widget</code>阻塞了缓存也会导致本身性能问题，所以另一个合理的优化可以是当<code>Widget</code>不再使用的时候销毁它的缓存。</p>
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<p>对于可缓存的工厂函数，返回<code>std::unique_ptr</code>不是好的选择。调用者应该接收缓存对象的智能指针，调用者也应该确定这些对象的生命周期，但是缓存本身也需要一个指针指向它所缓存的对象。缓存对象的指针需要知道它是否已经悬空，因为当工厂客户端使用完工厂产生的对象后，对象将被销毁，关联的缓存条目会悬空。所以缓存应该使用<code>std::weak_ptr</code>，这可以知道是否已经悬空。这意味着工厂函数返回值类型应该是<code>std::shared_ptr</code>，因为只有当对象的生命周期由<code>std::shared_ptr</code>管理时，<code>std::weak_ptr</code>才能检测到悬空。</p>
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<p>下面是一个临时凑合的<code>loadWidget</code>的缓存版本的实现：</p>
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<pre><code class="language-cpp">std::shared_ptr<const Widget> fastLoadWidget(WidgetID id)
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{
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static std::unordered_map<WidgetID,
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std::weak_ptr<const Widget>> cache;
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//译者注：这里std::weak_ptr<const Widget>是高亮
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auto objPtr = cache[id].lock(); //objPtr是去缓存对象的
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//std::shared_ptr（或
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//当对象不在缓存中时为null）
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if (!objPtr) { //如果不在缓存中
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objPtr = loadWidget(id); //加载它
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cache[id] = objPtr; //缓存它
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}
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return objPtr;
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}
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</code></pre>
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<p>这个实现使用了C++11的hash表容器<code>std::unordered_map</code>，但是需要的<code>WidgetID</code>哈希和相等性比较函数在这里没有展示。</p>
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<p><code>fastLoadWidget</code>的实现忽略了以下事实：缓存可能会累积过期的<code>std::weak_ptr</code>，这些指针对应了不再使用的<code>Widget</code>（也已经被销毁了）。其实可以改进实现方式，但是花时间在这个问题上不会让我们对<code>std::weak_ptr</code>有更深入的理解，让我们考虑第二个用例：观察者设计模式（Observer design pattern）。此模式的主要组件是subjects（状态可能会更改的对象）和observers（状态发生更改时要通知的对象）。在大多数实现中，每个subject都包含一个数据成员，该成员持有指向其observers的指针。这使subjects很容易发布状态更改通知。subjects对控制observers的生命周期（即它们什么时候被销毁）没有兴趣，但是subjects对确保另一件事具有极大的兴趣，那事就是一个observer被销毁时，不再尝试访问它。一个合理的设计是每个subject持有一个<code>std::weak_ptr</code>s容器指向observers，因此可以在使用前检查是否已经悬空。</p>
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<p>作为最后一个使用<code>std::weak_ptr</code>的例子，考虑一个持有三个对象<code>A</code>、<code>B</code>、<code>C</code>的数据结构，<code>A</code>和<code>C</code>共享<code>B</code>的所有权，因此持有<code>std::shared_ptr</code>：</p>
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<p><img src="media/item20_fig1.png" alt="item20_fig1" /></p>
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<p>假定从B指向A的指针也很有用。应该使用哪种指针？</p>
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<p><img src="media/item20_fig2.png" alt="item20_fig2" /></p>
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<p>有三种选择：</p>
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<ul>
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<li><strong>原始指针</strong>。使用这种方法，如果<code>A</code>被销毁，但是<code>C</code>继续指向<code>B</code>，<code>B</code>就会有一个指向<code>A</code>的悬空指针。而且<code>B</code>不知道指针已经悬空，所以<code>B</code>可能会继续访问，就会导致未定义行为。</li>
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<li><strong><code>std::shared_ptr</code></strong>。这种设计，<code>A</code>和<code>B</code>都互相持有对方的<code>std::shared_ptr</code>，导致的<code>std::shared_ptr</code>环状结构（<code>A</code>指向<code>B</code>，<code>B</code>指向<code>A</code>）阻止<code>A</code>和<code>B</code>的销毁。甚至<code>A</code>和<code>B</code>无法从其他数据结构访问了（比如，<code>C</code>不再指向<code>B</code>），每个的引用计数都还是1。如果发生了这种情况，<code>A</code>和<code>B</code>都被泄漏：程序无法访问它们，但是资源并没有被回收。</li>
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<li><strong><code>std::weak_ptr</code></strong>。这避免了上述两个问题。如果<code>A</code>被销毁，<code>B</code>指向它的指针悬空，但是<code>B</code>可以检测到这件事。尤其是，尽管<code>A</code>和<code>B</code>互相指向对方，<code>B</code>的指针不会影响<code>A</code>的引用计数，因此在没有<code>std::shared_ptr</code>指向<code>A</code>时不会导致<code>A</code>无法被销毁。</li>
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</ul>
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<p>使用<code>std::weak_ptr</code>显然是这些选择中最好的。但是，需要注意使用<code>std::weak_ptr</code>打破<code>std::shared_ptr</code>循环并不常见。在严格分层的数据结构比如树中，子节点只被父节点持有。当父节点被销毁时，子节点就被销毁。从父到子的链接关系可以使用<code>std::unique_ptr</code>很好的表征。从子到父的反向连接可以使用原始指针安全实现，因为子节点的生命周期肯定短于父节点。因此没有子节点解引用一个悬垂的父节点指针这样的风险。</p>
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<p>当然，不是所有的使用指针的数据结构都是严格分层的，所以当发生这种情况时，比如上面所述缓存和观察者列表的实现之类的，知道<code>std::weak_ptr</code>随时待命也是不错的。</p>
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<p>从效率角度来看，<code>std::weak_ptr</code>与<code>std::shared_ptr</code>基本相同。两者的大小是相同的，使用相同的控制块（参见<a href="../4.SmartPointers/item19.html">Item19</a>），构造、析构、赋值操作涉及引用计数的原子操作。这可能让你感到惊讶，因为本条款开篇就提到<code>std::weak_ptr</code>不影响引用计数。我写的是<code>std::weak_ptr</code>不参与对象的<strong>共享所有权</strong>，因此不影响<strong>指向对象的引用计数</strong>。实际上在控制块中还是有第二个引用计数，<code>std::weak_ptr</code>操作的是第二个引用计数。想了解细节的话，继续看<a href="../4.SmartPointers/item21.html">Item21</a>吧。</p>
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<p><strong>请记住：</strong></p>
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<ul>
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<li>用<code>std::weak_ptr</code>替代可能会悬空的<code>std::shared_ptr</code>。</li>
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<li><code>std::weak_ptr</code>的潜在使用场景包括：缓存、观察者列表、打破<code>std::shared_ptr</code>环状结构。</li>
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</ul>
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</main>
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