C++智能指针

以下是对 C++ 智能指针的详细解析，结合 Google 编码规范的设计哲学和现代 C++ 实践：

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1. 智能指针的核心思想

智能指针的本质是 用对象管理资源，通过 RAII（资源获取即初始化）技术，将资源生命周期与对象作用域绑定。其核心优势是：

• 自动释放内存：离开作用域时自动调用析构函数释放资源
• 所有权语义明确：通过指针类型显式表达资源所有权关系
• 异常安全：即使发生异常也能保证资源释放

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2. 智能指针分类与 Google 规范

根据所有权策略和实现方式，主要分为以下类型：

类型	所有权策略	线程安全	标准/Google实现	推荐场景
scoped_ptr	独占所有权，不可拷贝	否	Google 内部实现	局部资源管理
std::shared_ptr	共享所有权，引用计数	是(原子)	C++11 标准	共享资源的复杂场景
std::unique_ptr	独占所有权，可移动不可拷贝	否	C++11 标准	替代 auto_ptr 的现代方案
std::weak_ptr	观测者，不增加引用计数	是	C++11 标准	解决循环引用
std::auto_ptr	独占所有权，存在缺陷	否	C++98 标准（已废弃）	禁止使用

Google 规范核心原则：

1. 优先不使用指针：直接使用栈对象或类成员变量
2. 必须使用时首选 scoped_ptr：明确所有权，无额外开销
3. 极少数场景用 shared_ptr：如 STL 容器存储对象
4. 绝对禁用 auto_ptr：所有权转移语义危险

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3. 各类型详解与代码示例

(1) scoped_ptr（独占所有权）

• 特点：
  • 不可拷贝/移动，生命周期严格限定在作用域内
  • 无引用计数开销，性能接近裸指针
  • 头文件：<base/memory/scoped_ptr.h>（Google 内部）

示例：

#include <base/memory/scoped_ptr.h>

void ProcessData() {
    scoped_ptr<Database> db(new Database);  // 独占所有权
    db->Connect();  // 正常使用
    // 离开作用域时自动释放 Database 对象
}

(2) std::shared_ptr（共享所有权）

• 特点：
  • 引用计数机制，最后一个持有者释放资源
  • 支持自定义删除器（deleter）
  • 潜在风险：循环引用需配合 weak_ptr 解决

Google 允许的特例场景：

#include <tr1/memory>  // Google 推荐使用 TR1 版本

std::vector<std::tr1::shared_ptr<Worker>> workers;

void AddWorker() {
    workers.push_back(std::tr1::shared_ptr<Worker>(new Worker));
    // 当 workers 清空时自动释放所有 Worker 对象
}

(3) std::unique_ptr（C++11 现代独占指针）

• 特点：
  • 替代 auto_ptr 的安全方案，支持移动语义
  • 可管理数组（unique_ptr<T[]>）
  • 所有权转移需显式使用 std::move

现代 C++ 推荐写法：

std::unique_ptr<FileHandler> OpenFile(const std::string& path) {
    return std::unique_ptr<FileHandler>(new FileHandler(path));
}

void Process() {
    auto file = OpenFile("data.txt");  // 所有权转移
    file->ReadContents();
}  // 自动释放文件资源

(4) std::weak_ptr（观测者指针）

• 典型场景：解决 shared_ptr 循环引用

class Controller {
    std::vector<std::tr1::shared_ptr<Device>> devices;
};

class Device {
    std::tr1::weak_ptr<Controller> controller;  // 避免循环引用
};

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4. 禁用 auto_ptr 的原因

auto_ptr 的 危险所有权转移语义：

std::auto_ptr<int> p1(new int(10));
std::auto_ptr<int> p2 = p1;  // p1 变为空指针！
*p1 += 1;  // 运行时崩溃（未定义行为）

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5. 最佳实践总结

场景	推荐方案	理由
局部资源管理	scoped_ptr	无性能损耗，所有权清晰
类成员资源	std::unique_ptr	明确对象隶属关系，支持移动语义
容器存储对象	std::shared_ptr	容器元素需要拷贝/赋值时保持资源有效
缓存或观测对象	std::weak_ptr	避免循环引用，不干预资源生命周期
跨线程共享资源	std::shared_ptr + 互斥锁	引用计数原子操作保证线程安全
所有情况	优先使用栈对象	零开销，完全避免内存泄漏风险

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6. 为什么 Google 不鼓励智能指针？

1. 性能考量：引用计数的原子操作可能成为性能瓶颈
2. 代码复杂性：过度使用导致所有权关系难以追踪
3. 循环引用风险：设计不当易导致内存泄漏
4. 明确性原则：清晰的资源隶属关系优于隐式管理

替代方案示例：

// 优先使用栈对象
void Process() {
    Database db;  // 自动管理生命周期
    db.Connect();
}

// 类成员直接持有对象
class ReportGenerator {
    DataCache cache_;  // 无需指针
public:
    void Generate() { cache_.Load(); }
};

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7. 特殊场景下的智能指针策略

工厂模式返回对象

class Shape {
public:
    virtual ~Shape() = default;
    static std::unique_ptr<Shape> Create(int type) {
        switch(type) {
            case 0: return std::make_unique<Circle>();
            case 1: return std::make_unique<Square>();
            default: return nullptr;
        }
    }
};

多态对象管理

std::vector<std::unique_ptr<Animal>> zoo;
zoo.push_back(std::make_unique<Lion>());
zoo.push_back(std::make_unique<Elephant>());

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遵循这些准则，可以在保证代码安全性的同时，兼顾性能和可维护性，符合 Google 对 C++ 代码的健壮性要求。