c++有几种智能指针？对比说明

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分类专栏： # c++11 文章标签： c++ java 开发语言
于 2024-10-25 13:18:11 首次发布
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1.概要

2.内容

在C++中，主要有四种智能指针，它们是：std::auto_ptr（已被废弃）、std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。下面将分别介绍这些智能指针的特点和使用场景。

1. std::auto_ptr（已废弃）

std::auto_ptr 是C++98和C++03标准库中的智能指针，但由于其设计存在缺陷（如拷贝语义），已在C++11中被废弃，并在C++17中被完全移除。

  • 特点：
    • 管理单个对象的所有权。
    • 拷贝时会转移所有权，导致源指针变为空。
    • 不适合用于容器或在多线程环境中使用。
  • 示例： 

    std::auto_ptr<int> p1(new int(10));  
std::auto_ptr<int> p2 = p1; // p1 变为空，p2 拥有对象的所有权

2. std::unique_ptr

std::unique_ptr 是C++11引入的智能指针，用于替代 std::auto_ptr。

  • 特点：
    • 独占对象的所有权，不能复制，只能通过移动语义转移所有权。
    • 支持删除器（deleter），可以自定义删除逻辑。
    • 适用于管理单个对象的生命周期。
  • 示例： 

    std::unique_ptr<int> p1(new int(10));  
std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // p1 变为空，p2 拥有对象的所有权

3. std::shared_ptr

std::shared_ptr 也是C++11引入的智能指针，用于共享对象的所有权。

  • 特点：
    • 多个 std::shared_ptr 实例可以共享同一个对象。
    • 使用引用计数来管理对象的生命周期，当最后一个 std::shared_ptr 被销毁时，对象才会被删除。
    • 支持删除器（deleter）。
    • 线程安全（引用计数的增减是原子的）。
  • 示例： 

    std::shared_ptr<int> p1(new int(10));  
std::shared_ptr<int> p2 = p1; // p1 和 p2 共享同一个对象

4. std::weak_ptr

std::weak_ptr 是为了配合 std::shared_ptr 而设计的，用于解决循环引用问题。

  • 特点：
    • 不能独立拥有对象，必须从一个 std::shared_ptr 或另一个 std::weak_ptr 创建。
    • 不影响对象的引用计数，不会阻止对象被销毁。
    • 可以用于检查对象是否还存在，并获取一个 std::shared_ptr 来访问对象。
  • 示例： 

    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(10);  
std::weak_ptr<int> wp = sp; // 不会增加引用计数  
if (auto locked = wp.lock()) { // 检查对象是否还存在  
    // locked 是一个 shared_ptr，可以安全访问对象  
}

对比总结

  • 所有权管理：
    • std::unique_ptr：独占所有权，不可共享。
    • std::shared_ptr：共享所有权，通过引用计数管理。
    • std::weak_ptr：不管理所有权，仅用于引用 std::shared_ptr。
  • 生命周期：
    • std::unique_ptr：生命周期由单个 unique_ptr 管理。
    • std::shared_ptr：生命周期由所有 shared_ptr 共享管理。
    • std::weak_ptr：不影响生命周期管理。
  • 适用场景：
    • std::unique_ptr：适用于需要独占所有权的场景。
    • std::shared_ptr：适用于需要共享所有权的场景。
    • std::weak_ptr：适用于需要引用 std::shared_ptr 但不增加引用计数的场景，常用于解决循环引用问题。

选择适当的智能指针，可以帮助你更好地管理动态内存和资源，避免内存泄漏和其他资源管理问题。

3.关联知识 

1.std::unique_ptr 

std::unique_ptr 是 C++11 引入的一个智能指针类型，用于管理动态分配的内存。它确保当 std::unique_ptr 离开作用域或被显式销毁时，它所管理的内存会被自动释放，从而防止内存泄漏。std::unique_ptr 是独占所有权的，这意味着同一时间只能有一个 std::unique_ptr 拥有某块内存的所有权。

主要特性

  1. 独占所有权：std::unique_ptr 不允许有多个指针指向同一个资源。当 std::unique_ptr 被复制或赋值给另一个 std::unique_ptr 时，原来的指针会变为空，新的指针将拥有资源的所有权。这种机制确保了资源的唯一性和安全性。

  2. 自动内存管理：当 std::unique_ptr 离开其作用域时，它所管理的资源会被自动释放，无需手动调用 delete。

  3. 自定义删除器：std::unique_ptr 允许用户指定一个自定义的删除器，用于在资源被释放时执行特定的操作。

使用示例

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass Constructor\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass Destructor\n"; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass()); // 创建一个 unique_ptr，指向新分配的 MyClass 对象
    {
        std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1); // 使用 std::move 将 ptr1 的所有权转移给 ptr2
        // 此时，ptr1 变为空，ptr2 拥有 MyClass 对象的所有权
    } // ptr2 离开作用域，MyClass 对象被自动销毁

    // ptr1 已经为空，不会再次销毁 MyClass 对象
    return 0;
}

注意事项

  • 由于 std::unique_ptr 是独占所有权的，因此不能将其复制到另一个 std::unique_ptr。需要使用 std::move 来转移所有权。
  • std::unique_ptr 不能被复制到容器中，但可以使用 std::move 将它们移动到容器中，或者使用 std::unique_ptr 的指针容器（如 std::vector<std::unique_ptr<T>>）。
  • 当 std::unique_ptr 被销毁或重置时，它所管理的资源也会被销毁。因此，要确保在 std::unique_ptr 的生命周期内不要手动删除它所管理的资源。

总的来说，std::unique_ptr 是一种安全、高效的内存管理方式，特别适用于需要独占所有权和自动内存管理的场景。

2.std::shared_ptr 

std::shared_ptr 是 C++11 引入的另一种智能指针类型，与 std::unique_ptr 不同，它允许多个 std::shared_ptr 实例共享同一个资源（通常是动态分配的内存）。std::shared_ptr 通过引用计数来管理资源的生命周期，当最后一个指向资源的 std::shared_ptr 被销毁或重置时，资源才会被释放。

主要特性

  1. 共享所有权：多个 std::shared_ptr 可以共享同一个资源。每个 std::shared_ptr 都持有一个指向资源的指针和一个引用计数，该计数记录了有多少个 std::shared_ptr 共享这个资源。

  2. 自动内存管理：当最后一个指向资源的 std::shared_ptr 被销毁或引用计数降为零时，资源会被自动释放。

  3. 线程安全：std::shared_ptr 的引用计数是线程安全的，但访问共享资源本身并不是线程安全的，需要额外的同步机制。

  4. 循环引用问题：如果两个或多个 std::shared_ptr 实例相互引用，可能会导致循环引用问题，进而造成内存泄漏。为了避免这个问题，可以使用 std::weak_ptr。

使用示例

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass Constructor\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass Destructor\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass()); // 创建一个 shared_ptr，指向新分配的 MyClass 对象
    {
        std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1; // 复制 shared_ptr，两个 shared_ptr 共享同一个 MyClass 对象
        std::cout << "ptr1 use_count: " << ptr1.use_count() << "\n"; // 输出引用计数
        std::cout << "ptr2 use_count: " << ptr2.use_count() << "\n";
    } // ptr2 离开作用域，但由于 ptr1 仍然存在，MyClass 对象不会被销毁

    std::cout << "After ptr2 goes out of scope, ptr1 use_count: " << ptr1.use_count() << "\n";
    // ptr1 离开作用域，MyClass 对象被自动销毁
    return 0;
}

注意事项

  • 不要在多个 std::shared_ptr 实例之间形成循环引用，因为这会导致内存泄漏。使用 std::weak_ptr 来打破循环引用。
  • 当 std::shared_ptr 被复制时，它会增加引用计数；当它被销毁或重置时，它会减少引用计数。只有当引用计数降为零时，资源才会被释放。
  • std::shared_ptr 的大小通常比原始指针大，因为它需要存储额外的引用计数信息。
  • 虽然 std::shared_ptr 的引用计数是线程安全的，但访问共享资源时仍然需要小心，以避免数据竞争和其他并发问题。

总的来说，std::shared_ptr 是一种非常有用的智能指针，适用于需要共享所有权和自动内存管理的场景。然而，使用时需要注意循环引用和并发访问的问题。

3.std::unique_ptr和std::shared_ptr对比说明 

std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 都是 C++11 引入的智能指针类型，用于管理动态分配的内存资源。它们之间有一些重要的区别，下面是对这两个智能指针的对比说明：

所有权模型

  • std::unique_ptr：

    • 独占所有权：一个对象只能由一个 std::unique_ptr 拥有。当 std::unique_ptr 被销毁时，它所拥有的对象也会被销毁。
    • 不可复制：std::unique_ptr 不能被复制，只能被移动（使用 std::move）。这意味着你不能有两个 std::unique_ptr 指向同一个对象。

  • std::shared_ptr：

    • 共享所有权：允许多个 std::shared_ptr 实例共享同一个对象的所有权。
    • 引用计数：std::shared_ptr 内部维护一个引用计数，跟踪有多少个 std::shared_ptr 指向同一个对象。当最后一个 std::shared_ptr 被销毁时，对象才会被销毁。
    • 可复制：std::shared_ptr 可以被复制，复制操作会增加引用计数。

内存管理

  • std::unique_ptr：

    • 当 std::unique_ptr 离开作用域或被显式销毁时，它所拥有的对象也会被销毁。
    • 没有引用计数的开销，性能通常更好。

  • std::shared_ptr：

    • 当最后一个指向对象的 std::shared_ptr 被销毁时，对象才会被销毁。
    • 需要维护引用计数，这可能会带来一定的性能开销。
    • 提供了 std::make_shared 函数，用于更高效地创建 std::shared_ptr 和分配内存（只进行一次内存分配）。

线程安全

  • std::unique_ptr：

    • 本身不是线程安全的，因为它不涉及引用计数。
    • 如果需要在多线程环境中使用，需要适当的同步机制。

  • std::shared_ptr：

    • 引用计数的操作（如增加和减少）是原子的，因此是线程安全的。
    • 但是，通过 std::shared_ptr 访问共享对象本身并不是线程安全的，需要额外的同步机制。

循环引用

  • std::unique_ptr：

    • 由于是独占所有权，不会出现循环引用的问题。

  • std::shared_ptr：

    • 可能会出现循环引用的问题，如果两个或多个 std::shared_ptr 相互引用，可能会导致内存泄漏。
    • 可以使用 std::weak_ptr 来打破循环引用，std::weak_ptr 允许观察 std::shared_ptr 管理的对象，但不影响引用计数。

使用场景

  • std::unique_ptr：

    • 适用于需要独占所有权的场景，如管理动态分配的内存资源、文件句柄、网络连接等。
    • 适用于单线程或多线程环境中的局部资源管理。

  • std::shared_ptr：

    • 适用于需要共享所有权的场景，如多线程环境中共享资源。
    • 适用于复杂的对象图，其中对象之间有相互引用的情况。

示例代码

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass Constructor\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass Destructor\n"; }
};

int main() {
    // std::unique_ptr 示例
    {
        std::unique_ptr<MyClass> uniquePtr(new MyClass());
        // uniquePtr 不能被复制，只能被移动
        // std::unique_ptr<MyClass> uniquePtr2 = uniquePtr; // 错误
        std::unique_ptr<MyClass> uniquePtr2 = std::move(uniquePtr); // 正确
    } // uniquePtr 和 uniquePtr2 离开作用域，MyClass 对象被自动销毁

    // std::shared_ptr 示例
    {
        std::shared_ptr<MyClass> sharedPtr1(new MyClass());
        std::shared_ptr<MyClass> sharedPtr2 = sharedPtr1; // 正确，共享所有权
        std::cout << "sharedPtr1 use_count: " << sharedPtr1.use_count() << "\n"; // 输出引用计数
        std::cout << "sharedPtr2 use_count: " << sharedPtr2.use_count() << "\n";
    } // sharedPtr1 和 sharedPtr2 离开作用域，当最后一个 shared_ptr 被销毁时，MyClass 对象被自动销毁

    return 0;
}

综上所述，std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 各有优缺点，选择哪种智能指针取决于具体的需求和设计。

 

以下是std::unique_ptr和std::shared_ptr的对比表格：

特性/智能指针std::unique_ptrstd::shared_ptr
所有权模型独占所有权共享所有权
所有权复制不可复制，只能移动可复制，复制时增加引用计数
内存管理离开作用域或显式销毁时自动释放对象最后一个std::shared_ptr销毁时自动释放对象
引用计数无引用计数有引用计数，维护对象共享状态
性能开销无引用计数开销，通常更快有引用计数开销，可能稍慢
线程安全本身不是线程安全的引用计数操作是线程安全的，但对象访问需要额外同步
循环引用不会出现循环引用问题可能出现循环引用问题，需使用std::weak_ptr解决
使用场景单个所有者管理资源，如临时对象、局部资源管理多个所有者共享资源，如复杂对象图、多线程资源共享
创建方式std::unique_ptr<T> ptr(new T()); 或 std::make_unique<T>();std::shared_ptr<T> ptr(new T()); 或 std::make_shared<T>();
访问对象使用 *ptr 或 ptr->member使用 *ptr 或 ptr->member
自定义删除器支持自定义删除器支持自定义删除器
与容器兼容性可存储在支持移动语义的容器中，如std::vector<std::unique_ptr<T>>可存储在支持复制和移动语义的容器中，如std::vector<std::shared_ptr<T>>

通过这个表格，可以清晰地看到std::unique_ptr和std::shared_ptr在所有权模型、内存管理、线程安全、循环引用等方面的主要区别以及它们各自的使用场景。在选择使用哪种智能指针时，应根据具体的需求和设计来决定。

 

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c++中什么是智能指针
03-31
<think>好的，我需要解释C++中的智能指针。首先，用户可能对内存管理的基础有了解，但可能不清楚智能指针的作用。我需要从基本概念入手，逐步展开。 首先，智能指针是用来管理动态分配内存的工具，帮助防止内存泄漏。传统指针的问题在于需要手动delete，容易出错。智能指针可以自动释放内存，这一点很重要。 接下来，我需要介绍几种主要的智能指针类型：unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr。每个类型有不同的所有权模型，需要分别解释。 对于unique_ptr，要强调独占所有权，不能复制，只能移动。举例说明使用场景，比如管理单一资源的对象。 然后，shared_ptr是共享所有权，使用引用计数。需要说明何时引用计数增减，以及循环引用的问题。这里可能需要提到weak_ptr的作用，用来解决循环引用。 weak_ptr本身不拥有资源，观察shared_ptr，避免循环引用。需要解释如何通过lock()获取shared_ptr来访问资源。 要提到C++11引入的这些智能指针，位于<memory>头文件中。给出简单的代码示例，比如用unique_ptr分配内存，不需要手动delete。 另外，需要对比传统指针，突出智能指针的优势，比如异常安全、自动释放等。但也要注意可能的陷阱，比如不要混合使用智能指针和原始指针，避免循环引用导致的内存泄漏。 结构上，先定义智能指针，再分类型详细说明，最后总结使用场景和注意事项。确保语言通俗易懂，避免过于技术化的术语，同时覆盖关键点。检查是否符合格式要求，数学表达式是否正确使用，但这里可能用不上太多数学内容，主要关注代码示例的正确LaTeX格式，比如变量用$...$包裹。</think>在C++中，**智能指针**是一种用于自动管理动态内存的工具，它通过封装传统指针并引入所有权模型，有效避免了内存泄漏和悬空指针问题。以下是逐步说明： --- ### 一、为什么需要智能指针？ 传统指针的问题： - **手动管理内存**：需显式调用`new`和`delete`，容易忘记释放 - **异常不安全**：若在`new`和`delete`之间发生异常，内存无法释放 - **悬空指针**：释放内存后未置空指针，可能导致非法访问 --- ### 二、智能指针的核心类型 C++11起，标准库在`<memory>`中提供了以下智能指针： #### 1. `std::unique_ptr` - **独占所有权**：同一时间只有一个`unique_ptr`拥有资源 - **不可复制**，但可通过`std::move`转移所有权 - **适用场景**：管理单一资源的生命周期 ```cpp #include <memory> void example_unique() { std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42); // 创建 // 离开作用域时自动释放内存 } ``` #### 2. `std::shared_ptr` - **共享所有权**：通过引用计数跟踪资源，计数为0时释放内存 - **可复制**，所有副本共享同一资源 - **潜在问题**：循环引用会导致内存泄漏（需配合`weak_ptr`解决） ```cpp void example_shared() { std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42); { std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 引用计数+1 } // ptr2析构，引用计数-1（此时计数仍为1） } // ptr1析构，引用计数归零，释放内存 ``` #### 3. `std::weak_ptr` - **观察者模式**：不增加引用计数，避免循环引用 - 需通过`lock()`方法获取`shared_ptr`访问资源 ```cpp void example_weak() { std::shared_ptr<int> shared = std::make_shared<int>(42); std::weak_ptr<int> weak = shared; if (auto temp = weak.lock()) { // 尝试提升为shared_ptr // 使用temp访问资源 } } ``` --- ### 三、智能指针的优势 1. **自动释放内存**：离开作用域时自动调用析构函数 2. **异常安全**：即使发生异常，资源仍会被正确释放 3. **明确所有权语义**：通过类型区分独占/共享所有权 --- ### 四、使用注意事项 1. **优先使用`make_unique`和`make_shared`**：更高效且避免裸`new` 2. **避免混合使用智能指针和原始指针**： ```cpp int* raw = new int(42); std::shared_ptr<int> p1(raw); // std::shared_ptr<int> p2(raw); // 错误：会导致重复释放 ``` 3. **循环引用的解决方案**： ```cpp class B; class A { public: std::shared_ptr<B> b_ptr; ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; } }; class B { public: std::weak_ptr<A> a_weak; // 使用weak_ptr打破循环 ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; } }; ``` --- ### 五、总结 | 类型 | 所有权模型 | 复制行为 | 适用场景 | |---------------|-----------------|--------------|------------------------| | `unique_ptr` | 独占 | 只能移动 | 单一所有者 | | `shared_ptr` | 共享 | 可复制 | 多个所有者 | | `weak_ptr` | 无所有权 | 可复制 | 解决循环引用 | 通过合理选择智能指针类型，可以显著提升代码的安全性和可维护性。
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