C++ 智能指针 - 技术栈

C++ 智能指针是 C++11 引入的一种资源管理机制，用于自动管理动态分配的内存，减少手动内存管理的复杂性和内存泄漏的风险。智能指针是一个类模板，它通过封装指针，并在指针不再使用时自动释放其所指向的资源，从而避免了显式调用 delete。

C++ 标准库提供了三种主要的智能指针：

std::unique_ptr：独占所有权的智能指针。
std::shared_ptr：共享所有权的智能指针。
std::weak_ptr：观察 shared_ptr 所指向对象的智能指针，但不影响对象的引用计数。

1. std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占所有权的智能指针，意味着同一时刻只能有一个 unique_ptr 指向某个对象。unique_ptr 在超出作用域时会自动释放它所管理的内存。

特性：

不可以复制，只有移动。
当 unique_ptr 被销毁时，它会自动释放资源。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <memory>

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

int main() {
    // 创建一个 unique_ptr，管理一个 MyClass 对象
    std::unique_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_unique<MyClass>();

    // 使用 std::move 转移所有权
    std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1);

    // ptr1 现在为空，ptr2 拥有 MyClass 对象的所有权

    return 0; // 当 ptr2 超出作用域时，MyClass 会被销毁
}

输出：

bash 复制代码

MyClass Constructor
MyClass Destructor

2. std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种共享所有权的智能指针，可以在多个 shared_ptr 对象之间共享对同一个资源的所有权。当最后一个 shared_ptr 被销毁时，资源才会被释放。

特性：

支持多个 shared_ptr 共同拥有一个资源。
使用引用计数来跟踪有多少个 shared_ptr 拥有这个资源，只有引用计数为零时才会释放资源。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <memory>

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

int main() {
    // 创建一个 shared_ptr，管理一个 MyClass 对象
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>();

    // 共享所有权
    std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1;

    std::cout << "Use count: " << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出当前引用计数

    return 0; // 当 ptr1 和 ptr2 都超出作用域时，MyClass 会被销毁
}

输出：

bash 复制代码

MyClass Constructor
Use count: 2
MyClass Destructor

3. std::weak_ptr

std::weak_ptr 是一种不影响对象引用计数的智能指针。它通常与 std::shared_ptr 一起使用，用于避免循环引用问题。weak_ptr 只是一个观察者，它不会增加引用计数。

特性：

不会影响引用计数。
可以从 weak_ptr 获取一个 shared_ptr，但只有在对象依然存在时才能成功获取。

cpp 复制代码

#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 = std::make_shared<MyClass>();

    // 创建一个 weak_ptr，观察 ptr1
    std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = ptr1;

    // 检查 weak_ptr 是否指向有效的对象
    if (auto ptr2 = weakPtr.lock()) {
        std::cout << "weak_ptr is valid\n";
    } else {
        std::cout << "weak_ptr is expired\n";
    }

    return 0; // 当 ptr1 超出作用域时，MyClass 会被销毁
}

输出：

bash 复制代码

MyClass Constructor
weak_ptr is valid
MyClass Destructor

为什么使用智能指针？

自动内存管理： 智能指针通过 RAII（资源获取即初始化）模式管理资源，避免了手动释放内存时可能产生的错误（如忘记释放内存、重复释放等问题）。
避免内存泄漏： 使用 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 可以自动管理内存，避免内存泄漏。
防止悬挂指针和野指针： 智能指针可以保证在指向对象的智能指针被销毁后，该对象的内存被- 自动释放，避免了悬挂指针的风险。
简化代码： 智能指针使得代码更加简洁，减少了内存管理相关的错误，提高了程序的健壮性。

总结

std::unique_ptr：独占所有权，不能复制，只能移动。
std::shared_ptr：共享所有权，引用计数管理内存。
std::weak_ptr：不增加引用计数，避免循环引用。
智能指针是现代 C++ 编程的重要组成部分，它简化了内存管理并提高了程序的安全性和稳定性。如果你正在进行 C++ 开发，智能指针应该是你代码中不可或缺的工具之一。