C++智能指针的内存布局

1. 智能指针的内存布局概述

C++ 中的智能指针如 std::shared_ptr、std::unique_ptr 和 std::weak_ptr，都是为了自动化内存管理，减少手动管理内存的负担。它们各自的内存布局在管理对象时有所不同，特别是涉及到多态和继承时，布局会变得更为复杂。

1.1 std::shared_ptr 的内存布局

std::shared_ptr 是引用计数智能指针，它在管理对象时会包含：

• 控制块指针：指向控制块，用于管理引用计数、弱引用计数等信息。
• 对象指针：指向实际的对象。

在 64 位系统上，std::shared_ptr 的内存布局大致如下：

控制块指针 (control block)	对象指针 (object pointer)
8B	8B

• 控制块存储引用计数（强引用计数和弱引用计数）及其他管理信息。
• 对象指针指向实际管理的对象。

控制块的内存布局

控制块通常会包含以下部分：

强引用计数	弱引用计数	其他管理信息（可选）
4B	4B	可能有额外的信息

• 强引用计数：记录有多少个 shared_ptr 实例共享该对象。
• 弱引用计数：记录有多少个 weak_ptr 引用该对象。

1.2 std::unique_ptr 的内存布局

std::unique_ptr 是独占所有权智能指针，它仅包含一个指向实际对象的指针，而不涉及引用计数，因此内存布局非常简单：

对象指针 (object pointer)
8B

• 对象指针：指向实际管理的对象。

1.3 std::weak_ptr 的内存布局

std::weak_ptr 是观察者智能指针，它不增加引用计数，只是观察由 std::shared_ptr 管理的对象。weak_ptr 仅包含一个指向控制块的指针：

控制块指针 (control block)
8B

• 控制块指针：指向控制块，weak_ptr 通过它来观察 shared_ptr 管理的对象，但不会增加引用计数。

2. 继承结构中的智能指针

在有继承关系的情况下，智能指针依然遵循上述内存布局，但需要考虑多态性和对象的实际类型。假设我们有以下的继承结构：

class Base {
public:
    virtual void func() {}
    int a;
};

class Derived : public Base {
public:
    void func() override {}
    double b;
};

并且使用智能指针管理这些对象：

std::shared_ptr<Base> sptr = std::make_shared<Derived>();
std::weak_ptr<Base> wptr = sptr;
std::unique_ptr<Base> uptr = std::make_unique<Derived>();

2.1 std::shared_ptr<Base> 的内存布局

std::shared_ptr<Base> 会包含以下两个指针：

• 控制块指针：指向控制块，管理引用计数和弱引用计数等。
• 对象指针：指向 Derived 类型对象的指针（由于多态，实际对象类型是 Derived）。

内存布局如下：

控制块指针 (control block)	对象指针 (object pointer)
8B	8B

2.2 std::weak_ptr<Base> 的内存布局

std::weak_ptr<Base> 只包含一个指向控制块的指针，它不会直接管理对象，也不会增加引用计数。

内存布局如下：

控制块指针 (control block)
8B

2.3 std::unique_ptr<Base> 的内存布局

std::unique_ptr<Base> 仅包含一个指向对象的指针，指向实际的 Derived 类型对象。

内存布局如下：

对象指针 (object pointer)
8B

3. 总结与对比

智能指针类型	内存布局	说明
std::shared_ptr	控制块指针 + 对象指针	shared_ptr 存储两个指针：控制块指针和指向对象的指针。
std::unique_ptr	对象指针	unique_ptr 仅存储原始指针，指向唯一管理的对象。
std::weak_ptr	控制块指针	weak_ptr 仅存储一个指向控制块的指针，不增加引用计数。
控制块	强引用计数 + 弱引用计数 + 其他管理信息（可选）	控制块存储引用计数、弱引用计数等信息。

• std::shared_ptr：存储两个指针，一个指向控制块（用于管理引用计数、弱引用计数等），一个指向实际的对象。适用于多个对象共享同一资源的场景。
• std::weak_ptr：只存储一个指向控制块的指针，不增加引用计数。它用于观察由 shared_ptr 管理的对象，解决循环引用问题。
• std::unique_ptr：只存储原始指针，指向唯一管理的对象，确保资源独占，适用于需要单一所有权的场景。

4. 使用场景

• std::shared_ptr：适用于多个对象共享同一资源时，可以安全地增加和减少引用计数。
• std::weak_ptr：通常用于解决循环引用问题，它不增加引用计数，只是观察一个对象，避免对象无法被销毁。
• std::unique_ptr：用于独占资源的场景，确保一个对象只有一个所有者。