Для чего нужен weak_ptr в C++ и какую задачу без него не решить

Что проверяют

Понимаете ли вы модель владения в shared_ptr и можете ли назвать задачу, которую сырой указатель в принципе не решает. Следом часто просят объяснить, почему lock() правильнее связки expired() и разыменования и что происходит с памятью, пока жив хотя бы один weak_ptr.

Как отвечать

std::weak_ptr это невладеющая ссылка на объект под управлением shared_ptr. Он не увеличивает счётчик сильных ссылок, поэтому не продлевает объекту жизнь, но умеет узнать, жив ли тот:

• lock(): атомарно возвращает shared_ptr, пустой, если объект уже уничтожен. Пока полученный shared_ptr жив, объект не удалят из другого потока;
• expired(): годится только как подсказка. Между проверкой и использованием объект может исчезнуть, поэтому рабочий шаблон один: if (auto p = w.lock()) { ... };
• блок управления: хранит два счётчика. Объект разрушается, когда обнулились сильные ссылки, а сам блок живёт, пока есть слабые.

Задача, которую без него не решить: узнать, жив ли объект, которым вы не владеете. Сырой указатель после удаления объекта становится висячим, и проверить это нельзя. Отсюда типовые применения:

• разрыв циклов: родитель владеет детьми через shared_ptr, ребёнок ссылается на родителя через weak_ptr. Два shared_ptr друг на друга дают утечку, счётчики никогда не дойдут до нуля;
• колбэки и наблюдатели: в асинхронный обработчик захватывают weak_from_this() из enable_shared_from_this (C++17), и если объект успел умереть, колбэк просто ничего не делает;
• кэши: словарь из weak_ptr отдаёт объект, пока им кто-то пользуется, и не держит его сверх этого.

Где спотыкаются

Говорят, что weak_ptr не даёт объекту удалиться. Ровно наоборот: он наблюдает, а не владеет, и объект удаляется вместе с последним shared_ptr.

Проверяют expired(), а потом берут lock() и не проверяют результат. В многопоточном коде это гонка.

Не знают про побочный эффект make_shared: объект и блок управления лежат в одном выделении памяти. Деструктор отработает вовремя, но сама память освободится только после смерти последнего weak_ptr, и для больших объектов с долгоживущими слабыми ссылками это заметно.