c++11 智能指针

原创已于 2025-11-14 20:55:40 修改 · 1k 阅读

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于 2025-09-26 10:53:37 首次发布

在 C++ 中，智能指针（Smart Pointer）是一种封装了普通原始指针的类模板，核心作用是自动管理动态内存（即 new 分配的内存），避免因程序员忘记 delete、异常导致流程跳转等问题引发的内存泄漏，同时还能部分解决 “野指针”（指向已释放内存的指针）问题。

C++11 及后续标准库提供了三种常用智能指针：unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr，它们基于不同的 “所有权模型” 设计，适用于不同场景。

1.智能指针的核心原理：RAII

智能指针的实现依赖 RAII（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化）思想：

- 动态内存（资源）在智能指针构造时获取（即智能指针初始化时绑定到 new 分配的对象）；

- 智能指针析构时自动释放绑定的内存（无论程序正常结束还是因异常退出，对象的析构函数都会被调用）；

- 通过 “对象生命周期” 管理 “资源生命周期”，彻底避免手动 delete 的问题。

智能指针类除了满足 RAII 的设计思路，还要方便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，方便访问资源。

template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{
	}
	~SmartPtr()
	{
		cout << "delete[] " << _ptr << endl;
		delete[] _ptr;
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator&()
	{
		return _ptr;
	}
	T& operator[](size_t i)
	{
		return _ptr[i];
	}
private:
	T* _ptr;
};

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	// 这⾥使⽤RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序简单多了
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		sp1[i] = sp2[i] = i;
	}
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Divide(len, time) << endl;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

2.标准智能库的使用

- C++标准库中的智能指针都在<memory>这个头件下面，智能指针有好几种，除了 weak_ptr 其他的都符合RAII和像指针⼀样访问的行为，原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。

- auto_ptr 是C++98时设计出来的智能指针，它的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给拷贝对象，这是⼀个非常糟糕的设计，因为他会到被拷贝对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使用auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁止使用这个智能指针的。

- unique_ptr 是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译出来是唯⼀指针，它的特点的不支持拷贝，只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用它。

- shared_ptr 是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译出来是共享指针，它的特点是支持拷贝，也支持移动。其底层借助引用计数的机制来实现。在进行拷贝操作时，复制的是对象所存储的指针，这会使得多个智能指针共享同一个指针，也就是它们都指向同一块动态分配的内存区域。只有当引用计数降低至 0 时，才会真正调用 delete 操作来释放对应的对象。

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};
int main()
{
	auto_ptr<Date> ap1(new Date);
	// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
	auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	// 空指针访问，ap1对象已经悬空
	// ap1->_year++;
	unique_ptr<Date> up1(new Date);
	// 不⽀持拷⻉
	//unique_ptr<Date> up2(up1);
	// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
	unique_ptr<Date> up3(move(up1));
	shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	// ⽀持拷⻉
	shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	shared_ptr<Date> sp3(sp2);
	cout << sp1.use_count() << endl; // 引用计数
	sp1->_year++;
	cout << sp1->_year << endl;
	cout << sp2->_year << endl;
	cout << sp3->_year << endl;
	// ⽀持移动，但是移动后sp1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
	shared_ptr<Date> sp4(move(sp1));
	return 0;
}

- weak_ptr 是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译出来是弱指针，它完全不同于上面的智能指针，它不支持RAII，也就意味着不能用它直接管理资源，weak_ptr 的产生本质是要解决shared_ptr 的⼀个循环引用导致内存泄漏的问题。具体细节下面我们再细讲。

- template <class T, class... Args> shared_ptr<T> make_shared (Args&&... args);

- shared_ptr 除了支持用指向资源的指针构造，还支持 make_shared 用初始化资源对象的值直接构造。

- shared_ptr 和 unique_ptr 都支持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给 if 判断是否为空。

- shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使用 explicit 修饰，防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

int main()
{
	shared_ptr<Date> sp1(new Date(2024, 9, 11));
	shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);
	auto sp3 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);
	shared_ptr<Date> sp4;
	// if (sp1.operator bool())
	if (sp1)
		cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
	if (!sp4)
		cout << "sp1 is nullptr" << endl;
	// 报错，智能指针的构造函数是 explicit（显式）的，不支持隐式类型转换
	// shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);
	// unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11);
	return 0;
}

- 智能指针析构时默认是进行 delete 释放资源，这也就意味着如果不是 new 出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针支持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调用对象，在这个可调用对象中实现你想要的释放资源的方式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。因为 new[] 经常使用，所以为了简洁⼀点， unique_ptr 和 shared_ptr 都特化了⼀份[]的版本，使用时 unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。

template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
	delete[] ptr;
}
template<class T>
class DeleteArray
{
public:
	void operator()(T* ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
};
class Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};
int main()
{
	// 这样实现程序会崩溃
	// unique_ptr<Date> up1(new Date[10]);
	// shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);

	// 解决⽅案1
	// 因为new[]经常使⽤，所以unique_ptr和shared_ptr
	// 实现了⼀个特化版本，这个特化版本析构时⽤的delete[]
	unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
	shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);

	// 解决⽅案2
	// 仿函数对象做删除器
	// unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
	// unique_ptr和shared_ptr⽀持删除器的⽅式有所不同
	// unique_ptr是在类模板参数⽀持的，shared_ptr是构造函数参数⽀持的
	// 这⾥没有使⽤相同的⽅式还是挺坑的
	// 使⽤仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递，因为仿函数类型构造的对象直接就可以调⽤
	// 但是下⾯的函数指针和lambda的类型不可以
	unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);
	shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());

	// 函数指针做删除器
	unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
	shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);

	// lambda表达式做删除器
	auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
	unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);
	shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);

	// 实现其他资源管理的删除器
	shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
	shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	});
	return 0;
}

3.智能指针的原理

- 下面我们模拟实现了 auto_ptr 和 unique_ptr 的核心功能，这两个智能指针的实现比较简单，了解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象，这种思路是不被认可的，也不建议使用。unique_ptr的思路是不支持拷贝。

- 重点要看 shared_ptr 是如何设计的，尤其是引用计数的设计，主要这里一份资源就需要一个引用计数，所以引用计数才无法使用静态成员的方式实现，要使用堆上动态开辟的方式，构造智能指针对象时来一份资源，就要 new ⼀个引用计数出来。多个 shared_ptr 指向资源时就++引用计数，shared_ptr对象析构时就--引用计数，引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀个管理资源的对象，则析构资源。

namespace henu
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr)
			: _ptr(ptr)
		{}
		auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			sp._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
			if (&ap != this)
			{
				if (_ptr)
					delete _ptr;
				_ptr = ap->_ptr;
				ap->_ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		explicit unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		~unique_ptr()
		{
			cout << "delete " << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}

		T* operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T& operator&()
		{
			return _ptr;
		}

		unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;

		unique_ptr(unique_ptr<T>&& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			sp._ptr = nullptr;
		}
		unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>&& sp)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = sp._ptr;
			sp._ptr = nullptr;
		}
		
	private:
		T* _ptr;
	};
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_pcount(new int(1))
		{}
	
		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D* del)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			, _del(del)
		{}

		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pcount(sp._pcount)
			, _del(sp._del)
		{
			++(*_pcount);
		}
		void release()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				_del(_ptr);
				delete _pcount;
				_ptr = nullptr;
				_pcount = nullptr;
			}
		}
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != &sp._ptr)
			{
				release();

				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
				_del = sp._del;
			}
			return *this;
		}
		~shared_ptr()
		{
			release();
		}
		T* get() const 
		{
			return _ptr;
		}
		int use_count() const
		{
			return *_pcount;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
		//atomic<int>* _pcount;
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};
	// 需要注意的是我们这⾥实现的shared_ptr和weak_ptr都是以最简洁的⽅式实现的，
	// 只能满⾜基本的功能，这⾥的weak_ptr lock等功能是⽆法实现的，想要实现就要
	// 把shared_ptr和weak_ptr⼀起改了，把引⽤计数拿出来放到⼀个单独类型，shared_ptr
	// 和weak_ptr都要存储指向这个类的对象才能实现，有兴趣可以去翻翻源代码
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
		{
		}
		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{
		}
		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}
	private:
		T* _ptr = nullptr;
	};
}

int main()
{
	henu::auto_ptr<Date> ap1(new Date);
	// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
	henu::auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	// 空指针访问，ap1对象已经悬空
	//ap1->_year++;
	henu::unique_ptr<Date> up1(new Date);
	// 不⽀持拷⻉
	//unique_ptr<Date> up2(up1);
	// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
	henu::unique_ptr<Date> up3(move(up1));
	henu::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	// ⽀持拷⻉
	henu::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	henu::shared_ptr<Date> sp3(sp2);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	sp1->_year++;
	cout << sp1->_year << endl;
	cout << sp2->_year << endl;
	cout << sp3->_year << endl;
	return 0;
}

4.shared_ptr和weak_ptr

4.1.shared用ptr循环引用问题

- shared_ptr 大多数情况下管理资源非常合适，支持RAII，也支持拷贝。但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因，并且学会使用 weak_ptr 解决这种问题。

- 如下图所述场景，n1 和 n2 析构后，管理两个节点的引用计数减到 1

（1）初始状态n1 和 n2 刚创建：n1 指向节点 A，n1 的引用计数（管理节点 A）为 1，n2 指向节点 B，n2 的引用计数（管理节点 B）为 1。

（2）建立双向引用（n1->_next = n2; n2->_prev = n1;）：此时节点 A、B的引用计数都由1变为2

（3）n1 和 n2 析构（离开作用域）：节点 A、B 的引用计数都减 1。

（4）循环引用的死锁：现在节点 A 和节点 B 的引用计数都是 1，且互相 “抓着对方”，两者互相等待，永远无法满足 “引用计数减到 0” 的条件。。

- 至此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用，谁都不会释放就形成了循环引用，这样就导致了内存泄漏。

如何解决循环引用？

要打破 shared_ptr 的循环引用，核心是用 weak_ptr 替代其中一方的 shared_ptr（weak_ptr 是 “弱引用”，不增加引用计数，仅用于 “观察” 对象是否存在）。

例如把 ListNode 结构体中的 _next 和_prev 改成 weak_ptr，weak_ptr 绑定到 shared_ptr 时不会增加它的引用计数，_next 和_prev 不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引用，解决了这里的问题。

struct ListNode
{
	int _data;
	//std::shared_ptr<ListNode> _next;
	//std::shared_ptr<ListNode> _prev;
	// 将_next或_prev改成weak_ptr，当n1->_next = n2，绑定shared_ptr时
	// 不增加n2的引⽤计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了
	std::weak_ptr<ListNode> _next;
	std::shared_ptr<ListNode> _prev;
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 循环引⽤ -- 内存泄露
	std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	// weak_ptr不⽀持管理资源，不⽀持RAII
	// weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引⽤计数，作为⼀些场景的辅助管理
	//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);
	return 0;
}

4.2.weak_ptr

- weak_ptr 不支持RAII，也不支持访问资源，所以我们看文档发现 weak_ptr 构造时不支持绑定到资源，只支持绑定到 shared_ptr，绑定到 shared_ptr 时，不增加 shared_ptr 的引用计数，那么就可以解决上述的循环引用问题。

- weak_ptr 也没有重载 operator* 和 operator-> 等，因为它不参与资源管理，那么如果它绑定的
shared_ptr 已经释放了资源，再去访问资源就是很危险的。weak_ptr 支持 expired 检查指向的资源是否过期，use_count 也可获取 shared_ptr 的引用计数，weak_ptr 想访问资源时，可以调用lock 返回⼀个管理资源的 shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的 shared_ptr 是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的 shared_ptr 访问资源是安全的。

int main()
{
	std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
	std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
	std::weak_ptr<string> wp = sp1;
	cout << wp.expired() << endl; // 过期返回true
	cout << wp.use_count() << endl;

	// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
	sp1 = make_shared<string>("222222");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	sp2 = make_shared<string>("333333");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	wp = sp1;

	//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
	auto sp3 = wp.lock();
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	*sp3 += "###";
	cout << *sp1 << endl;
	return 0;
}

5.shared_ptr的线程安全问题

- shared_ptr 的引用计数对象在堆上，如果多个 shared_ptr 对象在多个线程中，进行 shared_ptr的拷贝析构时会访问修改引用计数，就会存在线程安全问题，所以 shared_ptr 引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。

- shared_ptr 指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归 shared_ptr
管，它也管不了，应该有外层使用 shared_ptr 的人进行线程安全的控制。

- 下面的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr 引用计数从 int* 改成 atomic<int>* 就可以保证引用计数的线程安全问题，或者使用互斥锁加锁也可以。

struct AA
{
	int _a1 = 0;
	int _a2 = 0;
	~AA()
	{
		cout << "~AA()" << endl;
	}
};
int main()
{
	bit::shared_ptr<AA> p(new AA);
	const size_t n = 100000;
	mutex mtx;
	auto func = [&]()
		{
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				// 这⾥智能指针拷⻉会++计数
				bit::shared_ptr<AA> copy(p);
				{
					unique_lock<mutex> lk(mtx);
					copy->_a1++;
					copy->_a2++;
				}
			}
		};
	thread t1(func);
	thread t2(func);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << p->_a1 << endl;
	cout << p->_a2 << endl;
	cout << p.use_count() << endl;
	return 0;
}

6.C++11和boost中智能指针的关系

- Boost库是为C++语言标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建立的初衷之⼀就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现，Boost社区的发起⼈Dawes本⼈就是C++标准委员会的成员之一。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。

- C++ 98 中产生了第⼀个智能指针auto_ptr。

- C++ boost给出了更实用的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等。

- C++ TR1，引入了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。

- C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的
scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。