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【读书笔记】《Effective Modern C++》第4章 Smart Pointers

ds 2025/7/14 15:33:13

《Effective Modern C++》第4章 Smart Pointers

一、使用 std::unique_ptr 管理独占所有权（Item 18）

基本概念
std::unique_ptr 提供对动态分配资源的独占所有权管理。与裸指针不同，unique_ptr 在离开作用域或被重置时自动释放所管理的资源。它禁止拷贝，只能移动。

使用方式
推荐工厂函数方式创建：

auto up = std::make_unique<Foo>(arg1, arg2);

当需要转移所有权时：

std::unique_ptr<Foo> up2 = std::move(up);
// 此时 up 为空，up2 拥有资源

自定义删除器
对于非 new 分配的资源，如 FILE* 或自定义句柄，可传入删除器类型：
```
std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)> fp(fopen("data.txt", "r"), &fclose);
```
删除器在 unique_ptr 析构时被调用，保证资源释放。
注意事项
- 禁止拷贝可防止重复释放；
- 作为成员变量时，可用 = default 或手动定义移动构造／赋值；
- 不要将裸指针与 unique_ptr 混合管理同一资源。

二、使用 std::shared_ptr 管理共享所有权（Item 19）

基本概念
std::shared_ptr 通过内部控制块维护引用计数，允许多方共享同一对象。最后一个 shared_ptr 析构时，自动释放资源。

使用方式
推荐工厂函数：

auto sp1 = std::make_shared<Foo>(arg);
auto sp2 = sp1;   // 引用计数增至 2
sp1.reset();      // 计数减至 1
// 最后 sp2 离开作用域时释放 Foo

性能与成本
- 控制块与对象默认一次分配；
- 引用计数操作是原子级别开销；
- 拷贝和析构时都要修改计数。
循环引用问题
当对象 A 和 B 相互持有 shared_ptr，会导致引用计数永不归零。必须通过 weak_ptr 打破循环。

三、使用 std::weak_ptr 管理可能失效的观察型指针（Item 20）

基本概念
std::weak_ptr 是对 shared_ptr 管理资源的非拥有型引用，不增加引用计数。它记录 control block 的弱引用，可检测资源是否已释放。

使用方式

std::shared_ptr<Foo> sp = std::make_shared<Foo>();
std::weak_ptr<Foo> wp = sp;  // 计数不变if (auto guard = wp.lock()) {// guard 为 shared_ptr，安全访问guard->method();
} else {// 对象已销毁
}

应用场景
- 观察者模式、缓存实现、回调注册时，不希望延长对象生命周期；
- 打破 shared_ptr 循环引用的一端。
注意事项
- 使用 lock() 获取 shared_ptr 并检查是否为空；
- 避免直接将 weak_ptr 转为裸指针；
- expired() 可用于简单过期检测，但 lock() 更安全。

四、优先使用 std::make_unique 和 std::make_shared（Item 21）

问题及原因
直接 new 后再构造智能指针存在两次内存分配和潜在异常安全漏洞：一旦在 new 后抛出，容易泄漏。
make 工厂函数优势
- 单次内存分配：make_shared 在一次分配中创建控制块和对象；
- 异常安全：资源在构造过程中即被智能指针管理，不会泄漏。

示例对比

// 不推荐
std::unique_ptr<Foo> up(new Foo(args));
std::shared_ptr<Foo> sp(new Foo(args));// 推荐
auto up2 = std::make_unique<Foo>(args);
auto sp2 = std::make_shared<Foo>(args);

特殊情况
- 需要自定义删除器时，仍需手动 new 并传入删除器；
- make_shared 无法分离控制块内存，若希望控制释放时机可考虑手动创建。

五、Pimpl 习惯用法中在实现文件定义特殊成员函数（Item 22）

Pimpl 模式目的
隐藏实现细节、减少头文件依赖、加快编译速度。头文件中声明不完整类型，实际数据保存在实现类 Impl 中。

头文件示例（Widget.h）

class Widget {
public:Widget();~Widget();Widget(const Widget&);Widget& operator=(const Widget&);
private:struct Impl;std::unique_ptr<Impl> pImpl;
};

实现文件示例（Widget.cpp）

struct Widget::Impl {// 数据成员
};Widget::Widget() : pImpl(std::make_unique<Impl>()) {}
Widget::~Widget() = default;
Widget::Widget(const Widget& w): pImpl(std::make_unique<Impl>(*w.pImpl)) {}
Widget& Widget::operator=(const Widget& w) {*pImpl = *w.pImpl;return *this;
}

原因与好处
- Impl 定义对外部不可见，确保封装性；
- 修改 Impl 后只需重新编译 cpp，减少依赖传播；
- 特殊成员函数在 cpp 中定义时，Impl 完整可见，避免不完整类型使用错误。

总结

本章围绕智能指针的五个核心要点展开，从独占所有权到共享所有权，再到观察型 weak_ptr，以及工厂函数与 Pimpl 相结合的模式实践，全面阐明了现代 C++ 中资源管理的最佳实践。通过合理选用 unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr，并配合 make_xxx 工厂函数和 Pimpl 隐藏实现细节，能够编写安全、高效且易于维护的 C++ 应用。

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