C++ 智能指针（八股总结）

C++中的智能指针有哪些，各自有什么作用?

智能指针主要解决一个内存泄露的问题，它可以自动地释放内存空间。因为它本身是一个类，当函数结束的时候会调用析构函数，并由析构函数释放内存空间。智能指针分为共享指针(shared_ptr), 独占指针(unique_ptr)和弱指针(weak_ptr)：

（1）shared_ptr ，多个共享指针可以指向相同的对象，采用了引用计数的机制，当最后一个引用销毁时，释放内存空间；

（2）unique_ptr，保证同一时间段内只有一个智能指针能指向该对象（可通过move操作来传递unique_ptr）；

（3）weak_ptr，用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题，如果说两个shared_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。

std::unique_ptr

定义

std::unique_ptr 是独占所有权的智能指针，一个对象只能被一个std::unique_ptr管理，不能共享所有权。

主要用途

1. 自动释放资源 ：当std::unique_ptr超出作用域时，会自动释放所管理的资源。
2. 独占所有权：确保同一资源不会被多个指针操作，避免潜在的内存问题。
3. 高效传递所有权 ：通过std::move可以将资源所有权转移。

示例代码

#include <iostream>
#include <memory>

void uniquePtrExample() {
    std::unique_ptr<int> uptr1 = std::make_unique<int>(10); // 创建并管理资源
    std::cout << "Value: " << *uptr1 << std::endl;

    // std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr1; // 错误！不能复制
    std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr1); // 转移所有权
    if (!uptr1) {
        std::cout << "uptr1 is now empty." << std::endl;
    }
    std::cout << "Value from uptr2: " << *uptr2 << std::endl;
}

int main() {
    uniquePtrExample();
    return 0;
}

输出

Value: 10
uptr1 is now empty.
Value from uptr2: 10

---

std::shared_ptr

定义

std::shared_ptr 是具有共享所有权的智能指针，多个std::shared_ptr可以同时管理同一资源，资源会在最后一个std::shared_ptr销毁时释放。

主要用途

1. 共享资源的生命周期管理：适用于多个对象需要访问和管理同一资源的场景。
2. 引用计数：内部维护一个引用计数，记录资源被引用的次数。
3. 线程安全：引用计数是线程安全的。

示例代码

#include <iostream>
#include <memory>

void sharedPtrExample() {
    std::shared_ptr<int> sptr1 = std::make_shared<int>(20); // 创建并管理资源
    std::shared_ptr<int> sptr2 = sptr1; // 共享资源
    std::cout << "Value: " << *sptr1 << ", Use count: " << sptr1.use_count() << std::endl;

    sptr2.reset(); // sptr2释放共享的资源
    std::cout << "After reset, Use count: " << sptr1.use_count() << std::endl;
}

int main() {
    sharedPtrExample();
    return 0;
}

输出

Value: 20, Use count: 2
After reset, Use count: 1

---

std::weak_ptr

定义

std::weak_ptr 是一种弱引用的智能指针，它不会增加资源的引用计数，通常与std::shared_ptr配合使用，解决循环引用问题。

主要用途

1. 解决循环引用问题 ：避免std::shared_ptr之间的循环引用导致资源无法释放。
2. 观察资源状态 ：可以安全地观察std::shared_ptr管理的资源是否仍然存在。

示例代码

#include <iostream>
#include <memory>

void weakPtrExample() {
    std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(30);
    std::weak_ptr<int> wptr = sptr; // 创建弱引用

    std::cout << "Use count: " << sptr.use_count() << std::endl;
    if (auto sp = wptr.lock()) { // 检查资源是否有效
        std::cout << "Value: " << *sp << std::endl;
    }

    sptr.reset(); // 释放资源
    if (wptr.expired()) {
        std::cout << "Resource has been released." << std::endl;
    }
}

int main() {
    weakPtrExample();
    return 0;
}

输出

Use count: 1
Value: 30
Resource has been released.

---

区别分析

特性	std::unique_ptr	std::shared_ptr	std::weak_ptr
所有权	独占所有权	共享所有权	无所有权，仅观察资源
引用计数	无	有	无
典型用途	独占资源管理	共享资源管理	解决循环引用问题
转移操作	通过std::move	支持复制和共享	不直接管理资源

shared_ptr的实现原理是什么？构造函数、拷贝构造函数和赋值运算符怎么写？shared_ptr是不是线程安全的？

（1）shared_ptr是通过引用计数机制实现的，引用计数存储着有几个shared_ptr指向相同的对象，当引用计数下降至0时就会自动销毁这个对象；

（2）具体实现：

1）构造函数：将指针指向该对象，引用计数置为1；

2）拷贝构造函数：将指针指向该对象，引用计数++；

3）赋值运算符：=号左边的shared_ptr的引用计数-1，右边的shared_ptr的引用计数+1，如果左边的引用技术降为0，还要销毁shared_ptr指向对象，释放内存空间。

（3）shared_ptr的引用计数本身是安全且无锁的，但是它指向的对象的读写则不是，因此可以说shared_ptr不是线程安全的。[shared_ptr是线程安全的吗？ - 云+社区 - 腾讯云 (tencent.com)](

shared_ptr 的循环引用

定义

shared_ptr 的循环引用（circular reference）是指两个或多个 shared_ptr 实例通过相互引用彼此共享的资源，导致引用计数无法归零，从而无法释放资源的问题。

问题原因

• shared_ptr 通过引用计数来管理资源。
• 如果两个 shared_ptr 互相引用，计数器永远不会归零，资源也就无法释放，造成 内存泄漏。

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示例代码

以下是一个简单的循环引用示例：

#include <iostream>
#include <memory>

class Node {
public:
    std::shared_ptr<Node> next;
    ~Node() { std::cout << "Node destroyed\n"; }
};

int main() {
    auto node1 = std::make_shared<Node>();
    auto node2 = std::make_shared<Node>();

    // 创建循环引用
    node1->next = node2;
    node2->next = node1;

    // 离开作用域，理论上 node1 和 node2 应该被销毁
    return 0;
}

// 输出：
// （没有任何 "Node destroyed" 的输出）

在上述代码中：

1. node1 和 node2 各自的 shared_ptr 引用计数为 1。
2. 它们通过 next 成员指针互相引用，导致 shared_ptr 的引用计数始终为 1。
3. 离开作用域时，引用计数无法归零，析构函数不会被调用，资源泄漏。

---

解决方案：使用 weak_ptr

为了避免循环引用，可以使用 weak_ptr 替代其中一个 shared_ptr，因为 weak_ptr 不会增加引用计数。

修正后的代码

#include <iostream>
#include <memory>

class Node {
public:
    std::weak_ptr<Node> next; // 使用 weak_ptr 打破循环
    ~Node() { std::cout << "Node destroyed\n"; }
};

int main() {
    auto node1 = std::make_shared<Node>();
    auto node2 = std::make_shared<Node>();

    node1->next = node2;
    node2->next = node1; // 使用 weak_ptr 不会增加引用计数

    return 0;
}

// 输出：
// Node destroyed
// Node destroyed