C++中智能指针的使用与内存管理最佳实践

C++智能指针的基本概念与类型

C++智能指针是自动管理动态分配内存的模板类，它们在头文件<memory>中定义。主要类型包括unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。unique_ptr代表独占所有权，一个对象只能由一个unique_ptr拥有；shared_ptr通过引用计数实现共享所有权，当最后一个shared_ptr离开作用域时释放内存；weak_ptr是shared_ptr的辅助指针，不增加引用计数，用于解决循环引用问题。

unique_ptr的使用与实践

unique_ptr适用于独占资源所有权的场景。使用std::make_unique（C++14及以上）创建unique_ptr是最佳实践，它提供异常安全保证。例如：auto ptr = std::make_unique<int>(42);。unique_ptr禁止拷贝，但支持移动语义，可通过std::move转移所有权。自定义删除器允许处理特殊资源释放需求，如文件指针或自定义分配的内存。

shared_ptr与引用计数机制

shared_ptr通过引用计数管理资源共享。使用std::make_shared创建shared_ptr，它一次性分配内存存储对象和引用计数，提高效率。例如：auto ptr = std::make_shared<MyClass>();。循环引用是shared_ptr的常见陷阱，会导致内存泄漏。例如，两个对象互相持有对方的shared_ptr。解决方案是使用weak_ptr打破循环，weak_ptr不增加引用计数，可通过lock()方法获取临时的shared_ptr访问资源。

weak_ptr的应用场景

weak_ptr主要用于解决shared_ptr的循环引用问题。它不控制对象生命周期，但可观察资源是否存在。典型用法包括缓存、观察者模式和依赖注入。例如，在缓存中存储weak_ptr，当主要所有者释放资源时，缓存自动失效。使用weak_ptr::lock()获取shared_ptr，若返回空则表示资源已被释放，避免了悬空指针风险。

智能指针与异常安全

智能指针显著提升代码的异常安全性。传统手动管理内存时，异常可能导致内存泄漏，而智能指针保证在栈展开时自动释放资源。例如，在函数中使用unique_ptr，即使抛出异常，资源也能正确释放。结合RAII（资源获取即初始化）原则，智能指针确保资源管理与对象生命周期绑定，减少错误。

自定义删除器与高级用法

智能指针支持自定义删除器，处理非标准资源释放。例如，使用unique_ptr管理文件句柄：auto fptr = std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)>(fopen(file.txt, r), fclose);。对于数组，C++17提供std::make_unique_for_overwrite和数组特化版本，但更推荐使用std::vector替代动态数组。shared_ptr的自定义删除器影响类型系统，需在构造时指定。

性能考量与最佳实践

智能指针引入轻微开销，如引用计数操作，但通常可忽略。避免过度使用shared_ptr，优先选择unique_ptr以减少性能损耗。不要使用智能指针管理非堆内存或静态内存。迁移遗留代码时，逐步替换new/delete为智能指针。调试时注意循环引用和误用weak_ptr导致的访问失败。静态分析工具可帮助检测智能指针的误用。