Item 20：對可能懸空的 std::shared_ptr-like 指標使用 std::weak_ptr (Use std::weak_ptr for std::shared_ptr-like Pointers That Can Dangle)

Overview Table

weak_ptr 的本質：會偵測自己懸空的非擁有指標

std::weak_ptr 解決一個 std::shared_ptr 不會遇到的問題：指向的物件可能已被銷毀。它像 std::shared_ptr 一樣指向物件，卻不影響物件的 reference count，並能追蹤自己是否懸空。

auto spw = std::make_shared<Widget>();  // 建構後 Widget 的
                                        // ref count (RC) 為 1

std::weak_ptr<Widget> wpw(spw);         // wpw 指向同一個 Widget，
                                        // RC 仍為 1（weak_ptr 不增加 RC）

spw = nullptr;                          // RC 歸 0，Widget 被銷毀，
                                        // wpw 現在懸空（dangle）

if (wpw.expired()) { /* ... */ }        // 懸空的 weak_ptr 稱為 expired，
                                        // 可直接檢測

  spw 建構            wpw(spw) 建立           spw = nullptr
     |                     |                       |
     v                     v                       v
 RC = 1  ────────────► RC = 1（不變）────────► RC = 0，Widget 銷毀
                       wpw 指向 Widget          wpw → expired（懸空可偵測）

安全存取：lock() 與 shared_ptr 建構子

先呼叫 expired() 再自行 dereference 是不可行的——即使語法上做得到，檢查與存取分離會引入 race condition：兩步驟之間，另一條執行緒可能銷毀最後一個 std::shared_ptr，導致 dereference 產生 undefined behavior。因此需要一個原子（atomic）操作：檢查是否 expired，若否則同時取得存取權。做法是從 std::weak_ptr 建立 std::shared_ptr，有兩種形式：

std::shared_ptr<Widget> spw1 = wpw.lock();  // 若 wpw 已 expired，
                                            // spw1 為 null

auto spw2 = wpw.lock();                     // 同上，改用 auto

std::shared_ptr<Widget> spw3(wpw);          // 若 wpw 已 expired，
                                            // 擲出 std::bad_weak_ptr

三大使用場景：caching、observer、打破 cycle

場景一：快取版 factory。昂貴的 loadWidget（回傳 std::unique_ptr，見 Item 18）改為快取版時，回傳型別必須改成 std::shared_ptr——因為只有物件生命週期由 std::shared_ptr 管理時，std::weak_ptr 才能偵測懸空：

std::shared_ptr<const Widget> fastLoadWidget(WidgetID id)
{
  static std::unordered_map<WidgetID,
                            std::weak_ptr<const Widget>> cache;

  auto objPtr = cache[id].lock();   // objPtr 是指向快取物件的
                                    // shared_ptr（不在快取則為 null）
  if (!objPtr) {                    // 不在快取：
    objPtr = loadWidget(id);        // 載入
    cache[id] = objPtr;             // 存入快取
  }
  return objPtr;
}

**場景三：回指造成的 cycle。**A、C 共享 B 的所有權，若 B 需要回指 A：

        std::shared_ptr        std::shared_ptr
   A ───────────────────► B ◄─────────────────── C
   ▲                      │
   └──────── ??? ─────────┘   B 回指 A 該用什麼指標？

效能真相：同大小、同 control block、第二個 reference count

std::weak_ptr 的效率特性與 std::shared_ptr 基本相同：

Exam/Test Patterns

Related Notes

• 05-Smart-Pointers/02-Shared-Ptr——std::weak_ptr 是 std::shared_ptr 的擴充，共用其 control block 與 reference count 機制
• 05-Smart-Pointers/01-Unique-Ptr——factory 預設回傳 std::unique_ptr；階層式結構的 parent→child 連結也應用它
• 05-Smart-Pointers/04-Make-Unique-And-Make-Shared——control block 中第二個 reference count（weak count）的細節，以及 make_shared 與 weak count 對記憶體釋放時機的影響
• 01-Introduction/01-Terms-And-Conventions——dangling pointer 與 undefined behavior 的術語定義
• 08-Concurrency-API/06-Atomic-Vs-Volatile——reference count 操作為 atomic 的背景知識