面试题：请介绍 C++ 中 weak_ptr 的原理？

std::weak_ptr 是 C++ 标准库中的一种智能指针，用于解决 std::shared_ptr 的循环引用问题。它本身不拥有对象的所有权，而是通过观察 std::shared_ptr 来访问资源。理解 std::weak_ptr 的原理需要从它的设计目标、内部实现和使用场景入手。

设计目标

解决循环引用问题：
- 当两个或多个 std::shared_ptr 相互引用时，会导致引用计数无法归零，从而引发内存泄漏。std::weak_ptr 通过不增加引用计数来打破循环引用。
观察而不拥有：
- std::weak_ptr 可以观察 std::shared_ptr 管理的对象，但不会增加引用计数，也不会影响对象的生命周期。
临时访问资源：
- 通过 std::weak_ptr 可以临时获取对象的访问权（通过 lock() 方法），但如果对象已经被释放，则返回一个空的 std::shared_ptr。

内部原理

std::weak_ptr 的实现依赖于 std::shared_ptr 的控制块（control block）。控制块是 std::shared_ptr 内部用于管理引用计数和弱引用计数的数据结构。

控制块的结构

控制块通常包含以下信息：

强引用计数（use count）：
- 记录当前有多少个 std::shared_ptr 共享对象的所有权。
- 当强引用计数归零时，对象会被销毁。
弱引用计数（weak count）：
- 记录当前有多少个 std::weak_ptr 正在观察对象。
- 当弱引用计数归零时，控制块会被释放。
指向对象的指针：
- 指向实际管理的对象。

`std::weak_ptr` 的工作机制

构造：
- std::weak_ptr 通过一个 std::shared_ptr 构造，它会指向相同的控制块，但不会增加强引用计数，只会增加弱引用计数。
访问对象：
- 通过 lock() 方法，std::weak_ptr 可以尝试获取一个 std::shared_ptr。
- 如果对象仍然存在（强引用计数 > 0），lock() 会返回一个有效的 std::shared_ptr，并增加强引用计数。
- 如果对象已经被释放（强引用计数 = 0），lock() 会返回一个空的 std::shared_ptr。
析构：
- 当 std::weak_ptr 被销毁时，它会减少弱引用计数。
- 如果弱引用计数和强引用计数都归零，控制块会被释放。

使用示例

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed!" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 创建一个 shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> shared = std::make_shared<MyClass>();

    // 创建一个 weak_ptr，观察 shared_ptr
    std::weak_ptr<MyClass> weak = shared;

    // 使用 lock() 获取 shared_ptr
    if (auto temp = weak.lock()) {
        std::cout << "Object is still alive." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Object has been destroyed." << std::endl;
    }

    // 释放 shared_ptr
    shared.reset();

    // 再次检查对象是否存活
    if (auto temp = weak.lock()) {
        std::cout << "Object is still alive." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Object has been destroyed." << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：

Object is still alive.
MyClass destroyed!
Object has been destroyed.

优点

解决循环引用：
- std::weak_ptr 不会增加引用计数，因此可以打破 std::shared_ptr 之间的循环引用。
安全地观察对象：
- 通过 lock() 方法可以安全地获取对象的访问权，避免悬空指针问题。
减少资源占用：
- std::weak_ptr 不会影响对象的生命周期，只有在需要时才会临时获取对象的所有权。

注意事项

不能直接访问对象：
- std::weak_ptr 不能直接解引用或访问对象，必须通过 lock() 方法获取 std::shared_ptr。
性能开销：
- std::weak_ptr 需要维护控制块，因此会引入一定的性能开销。
控制块的生命周期：
- 控制块的生命周期由弱引用计数决定，即使对象被销毁，控制块也可能仍然存在，直到弱引用计数归零。