C++ 智能指针详解

原创已于 2025-03-15 09:23:13 修改 · 692 阅读

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#c++ #开发语言

于 2025-03-08 14:09:18 首次发布

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在C++中，智能指针（Smart Pointers）是用于管理动态分配内存的类模板，旨在帮助开发者避免内存泄漏和悬空指针等问题。C++标准库提供了三种主要的智能指针类型：std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。下面我们将详细介绍每种智能指针的特点及其使用场景。

1. `std::unique_ptr`

std::unique_ptr 是一种独占所有权的智能指针，意味着同一时间只能有一个 std::unique_ptr 指向某个对象。当 std::unique_ptr 被销毁或重新赋值时，它所管理的对象也会被自动销毁。

特点

独占所有权：不允许复制，但可以通过移动语义转移所有权。
自动释放资源：当 std::unique_ptr 离开作用域或被显式删除时，会自动调用析构函数释放资源。

示例

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    // 创建一个 unique_ptr
    std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(10);

    // 访问指针指向的数据
    std::cout << "Value: " << *uptr << std::endl;

    // 不能复制 unique_ptr，但可以移动
    std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr);

    if (!uptr) {
        std::cout << "uptr is now null" << std::endl;
    }

    // uptr2 现在拥有资源
    std::cout << "Value in uptr2: " << *uptr2 << std::endl;

    return 0;
}

2. `std::shared_ptr`

std::shared_ptr 是一种共享所有权的智能指针，允许多个 std::shared_ptr 同时指向同一个对象。每个 std::shared_ptr 都维护一个引用计数，当最后一个 std::shared_ptr 被销毁时，才会释放所管理的对象。

特点

共享所有权：通过引用计数机制实现多个指针共享同一资源。
线程安全：引用计数的操作是线程安全的。

示例

cpp

#include <iostream>
#include <memory>

void print_shared_ptr(std::shared_ptr<int> sptr) {
    std::cout << "Value: " << *sptr << ", Use count: " << sptr.use_count() << std::endl;
}

int main() {
    // 创建一个 shared_ptr
    std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(20);

    // 复制 shared_ptr
    std::shared_ptr<int> sptr2 = sptr;

    print_shared_ptr(sptr);  // 输出 Value: 20, Use count: 2
    print_shared_ptr(sptr2); // 输出 Value: 20, Use count: 2

    // 当 sptr 和 sptr2 都离开作用域时，引用计数变为 0，资源会被释放

    return 0;
}

3. `std::weak_ptr`

std::weak_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针，通常与 std::shared_ptr 一起使用。它可以指向由 std::shared_ptr 管理的对象，但不会增加引用计数。因此，它不会阻止对象被销毁。

特点

非持有所有权：不会影响对象的生命周期。
解决循环引用问题：常用于解决 std::shared_ptr 之间的循环引用问题。

示例

#include <iostream>
#include <memory>

class Person {
public:
    std::shared_ptr<Person> mother;
    std::weak_ptr<Person> child;

    Person(const std::string& name) : name(name) {}

    void setMother(const std::shared_ptr<Person>& m) {
        mother = m;
        m->child = std::weak_ptr<Person>(this->shared_from_this());
    }

    void printInfo() {
        std::cout << name << "'s mother is ";
        if (mother.expired()) {
            std::cout << "no longer alive." << std::endl;
        } else {
            std::cout << mother.lock()->name << std::endl;
        }
    }

private:
    std::string name;
};

int main() {
    auto alice = std::make_shared<Person>("Alice");
    auto bob = std::make_shared<Person>("Bob");

    bob->setMother(alice);

    bob->printInfo(); // 输出 Bob's mother is Alice

    alice.reset(); // 释放 alice 的资源

    bob->printInfo(); // 输出 Bob's mother is no longer alive.

    return 0;
}

比较与选择

类型	所有权模型	是否允许复制	是否线程安全	适用场景
`std::unique_ptr`	独占所有权	不允许复制，但可以移动	是	单一所有权管理
`std::shared_ptr`	共享所有权	允许复制	是	多个指针共享资源
`std::weak_ptr`	非持有所有权	不直接持有资源	是	解决循环引用问题

使用建议

优先使用 std::unique_ptr：除非确实需要共享所有权，否则应尽量使用 std::unique_ptr，因为它更高效且避免了不必要的复杂性。
使用 std::shared_ptr：当多个对象需要共享同一资源时，使用 std::shared_ptr 来确保资源的安全释放。
使用 std::weak_ptr：当需要避免循环引用时，使用 std::weak_ptr 来打破循环依赖。