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智能指针：C++内存管理的现代解决方案

news 2025/7/3 21:48:05

一、引言：为什么需要智能指针？

二、智能指针是什么

1）unique_ptr

2）shared_ptr

3）shared_ptr的循环引用

4）weak_ptr

三、结语

一、引言：为什么需要智能指针？

我们来看下面的例子~


void func() {int* p1 = new int;int* p2 = new int;//此处省略一万行代码......// 抛了个异常//后续代码直接被跳过，导致内存泄漏delete p1;delete p2;
}
int main()
{try {func();}catch (...) {std::cout << "捕获到异常！" << std::endl;}//继续向下执行return 0;
}

在上面的场景中，导致了非常严重的问题——内存泄漏。可以看到，我们可不是忘了释放资源哈。其中一个解决方案是：在捕获异常的catch块里手动释放p1，p2，但是一个两个还好，如果多了会导致代码的臃肿，不够优雅。现代的解决方案就是使用智能指针。

二、智能指针是什么

如果要用一句话来定义智能指针的话，就是：智能指针 = 对象化指针 + 自动生命周期管理。智能指针它实际上就是一个封装了原始指针的类模板，然后通过RAII机制来确保内存安全。

RAII：核心就是将资源的生命周期与对象的生命周期进行绑定，确保对象在离开作用域时能够自动释放其资源。

下面将围绕C++11引入的unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr进行介绍，上古时代的auto_ptr这里就不展开叙述了，因为它的一些缺陷导致在项目中很少用到，甚至禁用。

1）unique_ptr

unique_ptr最突出的特点就是：一个unique_ptr，独占它所指向的对象。它不支持拷贝，也不支持赋值。但是，万事无绝对，当unique_ptr作为函数返回值的时候是允许的。估计是因为作为返回值时，它是个将亡值，进行了移动构造，管理权转移。

//error
std::unique_ptr<int> p1(new int(1));
std::unique_ptr<int> p2(p1);//true
std::unique_ptr<int> func(int num) {return std::unique_ptr<int>(new int(num));
}

2）shared_ptr

shared_ptr和unique_ptr正好相反，shared_ptr它是允许拷贝和赋值的，它所指向的对象是共享的，而不是单独占有。shared_ptr它是通过引用计数来管理对象的生命周期的，当引用计数为0时，对象被自动释放。下面实现一个简单的shared_ptr类，主要是理解它的核心功能，跟库里面的实现当然没法比~

namespace pcz {template <typename T>class shared_ptr {public:shared_ptr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr),_ref_count(new int(1)){}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp) :_ptr(sp._ptr),_ref_count(sp._ref_count) {(*_ref_count)++;}shared_ptr<T>& opeartor = (const shared_ptr<T> &sp){if (sp._ptr  != _ptr) {release();_ptr = sp._ptr;_ref_count = sp._ref_count;(*_ref_count)++;}}~shared_ptr() {release();}private:void release() {if (--(*_ref_count) == 0) {delete _ptr;delete _ref_count;}}private:T* _ptr;		  //原始指针int* _ref_count;  //引用计数};
}

1）引用计数不能写成static成员变量。

方框表示new出来的两个对象，这两个对象的类型是一样的。如果shared_ptr中的引用计数采用的是static成员变量，由于静态成员变量属于整个类，也就是说属于这个类的所有对象。这时，在new出右边的对象后，引用计数为3，这显然是不对的。

2）在实现拷贝赋值的时候，一定要减减原指针指向对象的引用计数在让它指向新的对象，否则会导致内存泄漏。

此时p2指向了右边的对象，但是左边的对象的引用计数仍为2，p1析构后，引用计数为1，导致内存泄漏。

3）在实现拷贝赋值的时候，上述的实现方法是上来就减减引用计数，但是如果该对象的引用计数为1，减减后就立马被释放掉了，后续执行的sp._ptr等就是是对空指针的解引用，导致程序崩溃。所以需要做一次判断，是不是自己给自己赋值。

3）shared_ptr的循环引用

在一些场景下，如果构成循环引用，那么会导致内存泄漏。下面举个例子~

struct ListNode {ListNode(){}std::shared_ptr<ListNode> _prev;std::shared_ptr<ListNode> _next;~ListNode() {std::cout << "~ListNode()" << std::endl;}
};
int main()
{std::shared_ptr<ListNode> p1(new ListNode);std::shared_ptr<ListNode> p2(new ListNode);p1->_next = p2;p2->_prev = p1;return 0;
}

可以看到，new了两个对象，但是一次析构都没有调用，妥妥的内存泄漏。

可以看到，这个释放逻辑成环了，因而导致内存泄漏了。如果打破这种循环？答案是：weak_ptr。

4）weak_ptr

weak_ptr就是为解决shared_ptr的循环引用问题而生的。weak_ptr是一种不控制所指向对象生命周期的智能指针，它指向一个shared_ptr管理的对象，但是不增加引用计数。下面将上述代码内部的shared_ptr改为weak_ptr，并看看运行结果。

struct ListNode {ListNode(){}std::weak_ptr<ListNode> _prev;std::weak_ptr<ListNode> _next;~ListNode() {std::cout << "~ListNode()" << std::endl;}
};
int main()
{std::shared_ptr<ListNode> p1(new ListNode);std::shared_ptr<ListNode> p2(new ListNode);p1->_next = p2;p2->_prev = p1;return 0;
}