Область применения std::weak_ptr

std::weak_ptr не является владельцем объекта, и призван решать проблему перекрестных ссылок.

Разберем такой код:

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
//Имеется класс компонента
struct Component: 
    public std::enable_shared_from_this<Component>
{   //Который содержит умные указатели на
    std::vector<std::shared_ptr<Component>> children;//дочерние компоненты
    std::shared_ptr<Component> parent;//и на родителя
    void add(std::shared_ptr<Component> v) 
    {
        children.push_back(std::move(v));
        children.back()->parent = shared_from_this();
    }
    Component()
    { 
        std::cout << "Component::Component()" << std::endl; 
    }
    ~Component() 
    { 
        std::cout << "Component::~Component()" << std::endl; 
    }
};
int main()
{
    std::shared_ptr<Component> component1 = std::make_shared<Component>();
    std::shared_ptr<Component> component2 = std::make_shared<Component>();
    component1->add(std::move(component2));
}

Если запустить данный код, то увидим, что после выхода из main деструкторы объектов вызваны не были, т.е. объекты не уничтожились. Почему?

Всё дело в том, что объекты, которыми владеют std::shared_ptr уничтожаются когда не остается владельцев (тех самых shared_ptr). В нашем же коде, родительский компонент владеет дочерним, а дочерний компонент содержит shared_ptr на родительский компонент, т.е. владеет родительским компонентом. Таким образом, они владеют друг другом, и не дают уничтожится друг другу. Это и есть перекрестные ссылки.

std::weak_ptr является умным указателем, который не владеет объектом.

Если в вышеуказанном коде поменять тип parent на std::weak_ptr, то родительский компонент теперь будет являться владельцем дочерних компонентов, а дочерние компоненты перестанут быть владельцами родительского. Соответственно, они не будут "держать друг друга за руки", и уничтожатся при выходе из main.

Иногда мы хотим чтобы объект удалился как можно быстрее, а не висел пока живы все его владельцы. Например когда объект владеет большим куском памяти, или каким-то системным ресурсом.

struct X {
  char data[100500];
};
std::shared_ptr<X> sp(new X);

Мы можем закинуть ссылку на этот объект в много разных мест

AddTimer(3h, [wp = std::weak_ptr<X>(sp)]{
    if (auto p = wp.lock()) {...};
});

и если мы не будем использовать weak_ptr, то эти объекты будут висеть минимум по 3 часа.

(Тут надо отметить что мы также не можем использовать make_shared т.к. тогда там будет выделен один большой блок памяти, который будет жить до последнего weak_ptr.)

Также weak_ptr позволяет бороться с утечками из-за циклических зависимостей.