C++中的智能指针详解

C++中的智能指针是一种用于管理动态分配内存的工具，它们可以自动释放内存，防止内存泄漏和悬挂指针问题。C++11标准引入了智能指针，包括std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr。每种智能指针都有不同的用途和特性。下面对它们进行详细介绍。

1. std::unique_ptr

std::unique_ptr是独占所有权的智能指针，意味着某一时刻只能有一个unique_ptr指向同一块内存。当unique_ptr被销毁时，它所管理的对象会自动被删除。

特点：

• 独占所有权，不能共享。
• 自动释放内存，防止内存泄漏。
• 支持移动语义，但不支持复制语义。

用法：

#include <memory>
#include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "Constructor" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "Destructor" << std::endl; }
    void display() { std::cout << "Hello, World!" << std::endl; }
};

int main() {
    // 创建unique_ptr
    std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass());

    // 使用make_unique创建unique_ptr（C++14引入）
    auto ptr2 = std::make_unique<MyClass>();

    // 使用unique_ptr
    ptr1->display();

    // 转移所有权
    std::unique_ptr<MyClass> ptr3 = std::move(ptr1);
    if (!ptr1) {
        std::cout << "ptr1 is null" << std::endl;
    }

    // ptr3自动释放内存
    return 0;
}

2. std::shared_ptr

std::shared_ptr是共享所有权的智能指针，可以多个指针指向同一块内存。当最后一个引用计数为零时，内存会被释放。它通过引用计数来管理内存。

特点：

• 共享所有权，多个shared_ptr可以指向同一个对象。
• 自动释放内存，防止内存泄漏。
• 引用计数管理内存，线程安全。

用法：

#include <memory>
#include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "Constructor" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "Destructor" << std::endl; }
    void display() { std::cout << "Hello, World!" << std::endl; }
};

int main() {
    // 创建shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>();

    // 复制shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1;
    std::cout << "Reference count: " << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出2

    // 使用shared_ptr
    ptr1->display();

    // ptr1和ptr2自动释放内存
    return 0;
}

3. std::weak_ptr

std::weak_ptr是为了配合std::shared_ptr而设计的一种智能指针，它不会影响引用计数。它用于解决循环引用的问题，当一个对象需要观测另一个对象，但不需要共享其所有权时使用。

特点：

• 不影响引用计数。
• 用于打破循环引用。
• 必须与shared_ptr一起使用，不能独立使用。

用法：

#include <memory>
#include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "Constructor" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "Destructor" << std::endl; }
    void display() { std::cout << "Hello, World!" << std::endl; }
};

int main() {
    // 创建shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>();
    
    // 创建weak_ptr
    std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = ptr1;

    // 检查weak_ptr是否有效
    if (auto ptr2 = weakPtr.lock()) {
        ptr2->display();
    } else {
        std::cout << "Pointer is expired" << std::endl;
    }

    // ptr1自动释放内存
    return 0;
}

智能指针的选择

• std::unique_ptr：适用于独占所有权的场景，资源只能由一个指针管理。
• std::shared_ptr：适用于共享所有权的场景，多个指针可以同时管理同一个资源。
• std::weak_ptr ：适用于需要观察shared_ptr管理的对象但不需要共享所有权的场景，通常用于避免循环引用。

注意事项

1. 不要混合使用原始指针和智能指针：这样会导致难以追踪的内存管理问题。
2. 避免循环引用 ：shared_ptr的循环引用会导致内存泄漏，这时可以使用weak_ptr来打破循环。
3. 使用合适的智能指针 ：根据实际需求选择unique_ptr、shared_ptr或weak_ptr。

智能指针是C++中管理动态内存的强大工具，正确使用它们可以显著提高代码的安全性和可维护性。