为什么std::weak_ptr类没有operator<运算符？

Question

我在使用弱指针作为map中的键。然而，当我尝试编译时，出现了难看的消息，我理解为缺少std::weak_ptr的比较运算符，这在std::map中是必需的，因为它根据键值对元素进行排序。

现在，weak_ptr类是一种智能指针类型类，因此可以使用指向某些受管理数据的指针。

这个类没有提供operator<方法的基本实现，是否有充分的理由呢？我的意思是，比较指针值对我来说似乎很明显，如果需要以不同的方式工作，则应该能够扩展或重新定义该方法，以获得预期的行为，不是吗？

非常感谢您的见解。

- Kzwix

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鉴于弱指针的基础对象可能随时被销毁，因此比较弱指针是完全没有意义的。在 < 完成指针比较的皮秒后，其中一个基础对象可能已经被销毁，因此您的比较结果也就无从谈起了。这与一般指针比较无关，正如答案所声称的那样。std::less 强制执行指针上的弱排序。查一下吧。比较普通指针没有问题。但由于其本质，弱指针比较是完全没有意义的。 - Sam Varshavchik

好的，谢谢。然而，据我所知，弱指针有一个指向匹配 shared_ptr 实例（家族中计算使用它的智能指针数量并保存“真实”指针的“持有者结构”的指针），对吧？因此，即使实例计数降至 0，使用原始地址进行比较也不应该太难 - 除非实现在指针“过期”时删除这个非常内部的结构（我不知道，我没有检查 STL 的内部代码。也许我应该）。 - Kzwix

Answer 1

std::owner_less 是在 map 中将智能指针作为键排序的正确方法。

#include <map>
#include <memory>
#include <string>

struct Foo
{
};

using my_key = std::weak_ptr<Foo>;
using my_comp = std::owner_less<my_key>;

int main()
{
    auto m = std::map<my_key, std::string, my_comp>();

    auto p = std::make_shared<Foo>();
    auto p1 = std::make_shared<Foo>();

    m.emplace(p, "foo");
    m.emplace(p1, "bar");

    p.reset();
    p1.reset();
}

- Richard Hodges

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我不知道这个。发现得好 :) - rubenvb

我也不知道。但是，我很难理解指针在哪些情况下可能会“不同”。我看到的有关std::owner_less（或std::weak_ptr.owner_before）的文档说，它比较所拥有的指针，而不管get()的结果如何，并且指出这些指针可能不同“（例如，因为它们指向同一对象中的不同子对象）”那怎么可能呢？我的意思是，如果我有指向类Foo的智能指针，其中一个指针将如何指向“不同的子对象”？ - Kzwix

@Kzwix，有一个shared_ptr的构造函数可以让你共享受控对象的生命周期，但是指向其中的子对象。请参见此页面中的注释8：http://en.cppreference.com/w/cpp/memory/shared_ptr/shared_ptr - Richard Hodges

谢谢，Richard，你让我发现了另一件事。然而，文档说它期望一个指向“element_type”的指针。在参考文献中，“element_type”被定义为类型T本身（因为我们还没有进入C++17）。然而，构造函数的描述明确说明，只要保证该指针在共享指针存在的时间内“存活”，它就可以是我们想要的任何东西。因此，可以是字段的指针，或者是向下转换版本的指针，等等。但是，我想知道，如果我的类Foo有一个类型为Bar的字段，那么如果它期望Foo，我怎么提供Bar呢？ - Kzwix

Answer 2

更新：有一种明确定义的方法可以比较std::weak_ptr，请参见@Richard's answer。我将保留我的回答作为历史档案。

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实现一个好的operator<需要从weak_ptr创建一个shared_ptr并调用它的operator<。这是

1. 一项“昂贵”的操作
2. 当底层的shared_ptr不再存在时，结果未定义。

通常很难得到一个定义良好且性能良好的weak_ptr排序。

请注意，您总是可以向您的映射对象传递自定义比较器，您可以按照任何您想要的方式进行实现并将其限制在该对象中。但是，这取决于您找出一个好的方法来实现这一点。也许您可以使用连接的shared_ptr的控制块指针，但这是您无法访问的实现细节。因此，我真的看不到有任何有意义的实现方式。

- rubenvb

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将指针值（而不是指向的值）进行比较并不会导致未定义行为，这是我认为OP想要做的。operator<没有被定义的实际原因是因为它可能会给出错误的结果，而不是因为它是未定义行为。（特别地，不存在的shared_ptr可以很容易地处理；这就是std::owner_less所做的。） - Konrad Rudolph

@KonradRudolph 在某些系统上可能是未定义的（并且在所有实现中都是实现定义的），请参见DR 1438。 - Jonathan Wakely

Answer 3

我认为关键点在于（摘自C++ Concurrency in Action，第194页，重点强调）

使用类似hazard pointers的方式依赖于这样一个事实：在引用的对象被删除后，使用指针的值是安全的。如果您使用new和delete的默认实现，则这在技术上是未定义的行为，因此您需要确保您的实现允许它，或者您需要使用允许这种用法的自定义分配器。

提供operator<()需要读取原始指针值，这可能导致未定义行为（即当expired()返回true时）。除非您首先lock()并检查返回值不为空，否则几乎无法保证比较是正确的。

- Lingxi

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那本书的作者报告了相关措辞的缺陷，现在标准明确指出比较无效指针值是实现定义的，而不一定是未定义的。但这仍然会使weak_ptr定义比较成为一个问题。 - Jonathan Wakely