C++智能指针 - 技术栈

C++智能指针学习

01.理解智能指针

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#include <iostream>
#include "MyObject.h"
using namespace std;

//

void memory_leak_example(bool condition) {
    std::cout << "\n--- Running Memory Leak Example ---" << std::endl;
    MyObject* ptr = new MyObject(1); // 在堆上创建对象

    /* 此处会出现内存泄露，即为 new 的指针不会被释放
    if (condition) {
        std::cout << "Condition is true, returning early..." << std::endl;
        // 如果在这里返回，下面的 delete 将永远不会被执行
        return;
    }*/
    

    ptr->pointer_example();
    delete ptr; // 只有当 condition 为 false 时，这里才会被执行
    std::cout << "--- Memory Leak Example Finished ---\n" << std::endl;


}
int main() {
    // 场景 A: 发生内存泄漏
    memory_leak_example(true);
    std::cout << "After memory_leak_example(true), the object was never destroyed." << std::endl;

    // 场景 B: 没有发生内存泄漏 (只是为了对比)
    memory_leak_example(false);

    return 0;

}

02.unique_ptr

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#include "MyObject.h"
#include <memory>   // 必须包含这个头文件
#include <vector>
//智能指针无论从哪个路径退出，只要栈对象被销毁，自动释放内存

void unique_ptr_basic_example(bool condition) {
    std::cout << "\n--- Running unique_ptr Basic Example ---" << std::endl;

    // 推荐用法：使用 std::make_unique 创建对象并由 unique_ptr 管理
    // 这行代码做了两件事：1. new MyObject(3)  2. 创建一个 unique_ptr 指向它
    auto ptr = std::make_unique<MyObject >(3);

    if (condition) {
        std::cout << "Condition is true, returning early..." << std::endl;
        // 当函数在这里返回时，ptr 会离开作用域
        // 它的析构函数会被自动调用，从而 delete 其管理的对象
        return;
    }

    ptr->do_something();
    std::cout << "No need to manually call delete!" << std::endl;
    // 函数结束，ptr 离开作用域，自动 delete 对象
}

int main() {
    // 无论 condition 是 true 还是 false，内存都会被正确释放！
    unique_ptr_basic_example(true);
    unique_ptr_basic_example(false);
    return 0;
}

03.所有权转移

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#include <iostream>
#include "MyObject.h"
#include <vector>
using namespace std;


// 工厂函数，创建对象并返回其所有权
std::unique_ptr<MyObject> create_object(int id) {
    std::cout << "Factory creating an object..." << std::endl;
    return std::make_unique<MyObject>(id);
    // 返回时，所有权被自动移动（转移）出去，无需手动写 std::move
}

void unique_ptr_ownership_example() {
    std::cout << "\n--- Running unique_ptr Ownership Example ---" << std::endl;

    // 1. 从工厂函数获取所有权
    auto ptr1 = create_object(4);

    // 2. 尝试复制（这是错误的！）
    // auto ptr2 = ptr1; // 这行代码会导致编译错误！
    std::cout << "Cannot copy a unique_ptr." << std::endl;

    // 3. 转移所有权
    std::cout << "Moving ownership from ptr1 to ptr2..." << std::endl;
    auto ptr2 = std::move(ptr1); // 使用 std::move 转移所有权

    // 检查所有权状态
    if (!ptr1) {
        std::cout << "ptr1 is now nullptr." << std::endl;
    }

    std::cout << "ptr2 now owns the object." << std::endl;
    ptr2->do_something();

    // 4. 将 unique_ptr 存入容器
    std::vector<std::unique_ptr<MyObject>> object_list;
    // 必须使用 move 将所有权转移给 vector
    object_list.push_back(std::move(ptr2));

    std::cout << "Object moved into the vector." << std::endl;
    if (!ptr2) {
        std::cout << "ptr2 is now nullptr after moving into vector." << std::endl;
    }
    // 当 main 函数结束时，object_list 会被销毁，
    // 它内部的所有 unique_ptr 也会被销毁，从而释放所有对象
}


int main() {
    unique_ptr_ownership_example();
    std::cout << "\nEnd of main, all objects should be destroyed now." << std::endl;
    return 0;
}

04_与函数交互 (获取裸指针)

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#include <iostream>
#include "MyObject.h"
#include <vector>
using namespace std;
// 假设这是一个第三方库的函数，它只接受裸指针，并且不会尝试 delete 它
void process_raw_pointer(MyObject* raw_ptr) {
    if (raw_ptr) {
        std::cout << "Processing object via raw pointer..." << std::endl;
        raw_ptr->do_something();
    }
    delete raw_ptr;
}

void unique_ptr_raw_pointer_example() {
    std::cout << "\n--- Running unique_ptr Raw Pointer Example ---" << std::endl;

    auto ptr = std::make_unique<MyObject>(5);

    // 使用 .get() 方法获取裸指针，但不要释放它！
    // 所有权仍然在 unique_ptr 手中
    process_raw_pointer(ptr.get()); //.get() 提供了一个"只读"的、临时的裸指针

    std::cout << "After processing, unique_ptr still owns the object." << std::endl;
} // 函数结束，ptr 离开作用域，对象被安全销毁

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

05.shared_ptr 的基本用法与引用计数

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// main.cpp
#include <memory>
#include <vector>
#include <iostream>
#include "MyObject.h"
//shared_ptr 通过引用计数，精确地追踪有多少个指针在共享同一个对象。
// 只有当最后一个 shared_ptr 被销毁时，对象才会被释放

void shared_ptr_basic_example() {
    std::cout << "\n--- Running shared_ptr Basic Example ---" << std::endl;

    // 推荐用法：使用 std::make_shared 创建对象
    auto s_ptr1 = std::make_shared<MyObject>(10);
    std::cout << "s_ptr1 created. Use count: " << s_ptr1.use_count() << std::endl; // 输出: 1

    { // 创建一个新的作用域
        std::cout << "Entering new scope..." << std::endl;

        // 复制 s_ptr1。这是 shared_ptr 的核心能力。
        std::shared_ptr<MyObject> s_ptr2 = s_ptr1;//不是同一个指针，但它们指向同一个对象
        std::cout << "s_ptr2 created by copying s_ptr1. Use count: " << s_ptr1.use_count() << std::endl; // 输出: 2
        std::cout << "s_ptr2 use count is also: " << s_ptr2.use_count() << std::endl; // 输出: 2

        s_ptr2->do_something();

        std::cout << "Leaving new scope..." << std::endl;
    } // s_ptr2 在这里离开作用域，被销毁，引用计数减 1

    std::cout << "After scope, s_ptr2 is destroyed. Use count: " << s_ptr1.use_count() << std::endl; // 输出: 1

    std::cout << "--- shared_ptr Basic Example Finished ---\n" << std::endl;


    //-----------
    std::cout << "Entering new scope..." << std::endl;

    // 复制 s_ptr1。这是 shared_ptr 的核心能力。
    std::shared_ptr<MyObject> s_ptr2 = s_ptr1;
    std::cout << "!!!s_ptr2 created by copying s_ptr1. Use count: " << s_ptr1.use_count() << std::endl; // 输出: 2
    std::cout << "!!!s_ptr2 use count is also: " << s_ptr2.use_count() << std::endl; // 输出: 2

    s_ptr2->do_something();

    std::cout << "Leaving new scope..." << std::endl;

} // main 函数结束前，s_ptr1 在这里被销毁，引用计数变为 0，对象被 delete

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

06_shared_ptr 与容器和函数

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// main.cpp
#include <memory>
#include <vector>
#include <iostream>
#include "MyObject.h"

// 一个函数，接收一个 shared_ptr，表示它将临时共享该对象的所有权
void process_shared_object(std::shared_ptr<MyObject> ptr) {
    std::cout << "  [Inside function] Received object. Use count: " << ptr.use_count() << std::endl;//3
    ptr->do_something();
    std::cout << "  [Inside function] Function finished." << std::endl;
} // 函数结束，参数 ptr 被销毁，引用计数减 1

void shared_ptr_advanced_example() {
    std::cout << "\n--- Running shared_ptr Advanced Example ---" << std::endl;

    std::vector<std::shared_ptr<MyObject>> object_list;

    // 1. 创建对象并存入 vector
    auto s_ptr = std::make_shared<MyObject>(11);
    std::cout << "Object created. Use count: " << s_ptr.use_count() << std::endl; // 1
    
    object_list.push_back(s_ptr);//复制操作，但是指向同一个shared_ptr
    std::cout << "Object pushed into vector. Use count: " << s_ptr.use_count() << std::endl; // 2 (s_ptr 和 vector中的元素)

    // 2. 将 s_ptr 传递给函数
    std::cout << "Calling function..." << std::endl;
    process_shared_object(s_ptr);
    std::cout << "Function returned. Use count: " << s_ptr.use_count() << std::endl; // 2 (s_ptr 和 vector中的元素)

    // 3. 释放我们本地的 s_ptr
    s_ptr.reset(); // 主动放弃所有权，只有s_ptr这一个指针放弃，其实就是s_ptr=nullptr
    std::cout << "s_ptr reset. Use count: " << object_list[0].use_count() << std::endl; // 1 (只剩下 vector 中的元素)

    std::cout << "--- shared_ptr Advanced Example Finished ---\n" << std::endl;
} // main 函数结束前，vector 被销毁，它内部的 shared_ptr 也被销毁，引用计数变为 0，对象被 delete

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

07_weak_ptr循环引用导致的内存泄漏

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// main.cpp
#include <memory>
#include <vector>
#include <iostream>
#include "MyObject.h"

// 定义两个相互引用的类
class Son; // 前向声明

class Father {
public:
    Father() { std::cout << "Father created." << std::endl; }
    ~Father() { std::cout << "Father destroyed." << std::endl; }
    std::shared_ptr<Son> son_;
};

class Son {
public:
    Son() { std::cout << "Son created." << std::endl; }
    ~Son() { std::cout << "Son destroyed." << std::endl; }
    std::shared_ptr<Father> father_;
};

void circular_reference_problem() {
    std::cout << "\n--- Running Circular Reference Problem ---" << std::endl;

    auto father = std::make_shared<Father>(); // Father use_count = 1
    auto son = std::make_shared<Son>();       // Son use_count = 1

    // 建立相互引用，两者只是来回引用，并没有无限套娃
    father->son_ = son;       // Son use_count = 2
    son->father_ = father;    // Father use_count = 2

    std::cout << "Father use count: " << father.use_count() << std::endl;
    std::cout << "Son use count: " << son.use_count() << std::endl;

    std::cout << "Leaving function scope..." << std::endl;
} // 函数结束，father 和 son 两个局部智能指针被销毁
  // Father use_count 减为 1 (因为 Son 还指着它)
  // Son use_count 减为 1 (因为 Father 还指着它)
  // 引用计数都无法归零，析构函数永远不会被调用！

int main() {
    circular_reference_problem();
    std::cout << "After function, objects were NOT destroyed. Memory leak!" << std::endl;
    return 0;
}

08_weak_ptr 打破循环引用

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// main.cpp
#include <memory>
#include <vector>
#include <iostream>
#include "MyObject.h"

// 只需要修改 Son 的定义
class SonFixed;

class FatherFixed {
public:
    FatherFixed() { std::cout << "FatherFixed created." << std::endl; }
    ~FatherFixed() { std::cout << "FatherFixed destroyed." << std::endl; }
    std::shared_ptr<SonFixed> son_;
};

class SonFixed {
public:
    SonFixed() { std::cout << "SonFixed created." << std::endl; }
    ~SonFixed() { std::cout << "SonFixed destroyed." << std::endl; }

    // 关键改动：使用 weak_ptr
    // Son 只是"观察" Father，不拥有他
    std::weak_ptr<FatherFixed> father_;
};

void circular_reference_solution() {
    std::cout << "\n--- Running Circular Reference Solution ---" << std::endl;

    auto father = std::make_shared<FatherFixed>(); // Father use_count = 1
    auto son = std::make_shared<SonFixed>();       // Son use_count = 1

    father->son_ = son;       // Son use_count = 2
    son->father_ = father;    // Father use_count 仍然是 1，因为 weak_ptr 不增加计数！

    std::cout << "Father use count: " << father.use_count() << std::endl;
    std::cout << "Son use count: " << son.use_count() << std::endl;

    // 如何通过 weak_ptr 访问对象？
    if (!son->father_.expired()) { // 1. 检查对象是否还存在
        // 2. 使用 lock() 获取一个临时的 shared_ptr
        std::shared_ptr<FatherFixed> father_sptr = son->father_.lock();
        if (father_sptr) {
            std::cout << "Son can access Father. Father use count temporarily becomes: " << father_sptr.use_count() << std::endl;
        }
    } // father_sptr 在此被销毁，引用计数恢复

    std::cout << "Leaving function scope..." << std::endl;
} // 函数结束，father 和 son 局部指针被销毁
  // father 的 use_count 减为 0 -> FatherFixed 被销毁
  // FatherFixed 的析构函数被调用，其成员 son_ (一个shared_ptr)被销毁
  // son 的 use_count 减为 0 -> SonFixed 被销毁

int main() {
    circular_reference_solution();
    std::cout << "After function, objects were correctly destroyed." << std::endl;
    return 0;
}

09_使用 unique_ptr 管理 FILE

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#include <cstdio>
#include <memory>
#include <iostream>

// 自定义删除器，一个简单的函数
void file_closer(FILE* file) {
    if (file) {
        std::cout << "Custom deleter: Closing file." << std::endl;
        fclose(file);
    }
}

// 使用函数指针作为删除器类型
using FileUniquePtr = std::unique_ptr<FILE, decltype(&file_closer)>;

void unique_ptr_deleter_example() {
    std::cout << "\n--- unique_ptr Custom Deleter Example ---" << std::endl;

    // 打开文件，获取 C 风格的句柄
    FILE* raw_file_ptr = fopen("test.txt", "w");
    if (!raw_file_ptr) return;

    // 创建 unique_ptr，并提供删除器
    // 注意构造函数需要传入原始指针和删除器函数指针
    FileUniquePtr file_ptr(raw_file_ptr, &file_closer);

    fprintf(file_ptr.get(), "Hello from unique_ptr with a custom deleter!\n");

    std::cout << "Function scope is ending, file will be closed automatically." << std::endl;
} // file_ptr 在此被销毁，它会自动调用 file_closer(raw_file_ptr)

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

10shared_ptr 和 Lambda 实现自定义删除器

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#include <memory>
#include <iostream>

struct ThirdPartyResource {
    ThirdPartyResource(int id) : id_(id) { std::cout << "Resource " << id_ << " acquired." << std::endl; }
    int id_;
};

// 假设这是一个第三方C库的释放函数
void release_third_party_resource(ThirdPartyResource* res) {
    std::cout << "Custom C-style release function called for resource " << res->id_ << "." << std::endl;
    delete res; // 假设它内部也是用 delete
}

void shared_ptr_deleter_example() {
    std::cout << "\n--- shared_ptr Custom Deleter Example ---" << std::endl;

    // 创建 shared_ptr，并将自定义删除器作为第二个参数传入
    // 使用 lambda 表达式非常方便
    std::shared_ptr<ThirdPartyResource> res_ptr(
        new ThirdPartyResource(101),
        [](ThirdPartyResource* r) {
            std::cout << "Custom lambda deleter called for resource " << r->id_ << "." << std::endl;
            delete r;
        }
    );

    // 也可以传递一个函数指针
    std::shared_ptr<ThirdPartyResource> res_ptr2(new ThirdPartyResource(102), &release_third_party_resource);

    std::cout << "Function scope is ending, resources will be released." << std::endl;
}

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

11_this 指针共享

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#include <memory>
#include <iostream>
#include <vector>

// 必须公开继承自 std::enable_shared_from_this
class GameObject : public std::enable_shared_from_this<GameObject> {
public:
    GameObject() { std::cout << "GameObject created." << std::endl; }
    ~GameObject() { std::cout << "GameObject destroyed." << std::endl; }

    // 这个方法需要返回一个指向自身的 shared_ptr
    std::shared_ptr<GameObject> get_shared_ptr() {
        // 错误的做法： return std::shared_ptr<GameObject>(this);
        // 正确的做法：
        return shared_from_this();
    }

    void add_to_manager() {
        // 假设一个游戏管理器需要存储对这个对象的共享引用
        get_game_manager().push_back(get_shared_ptr());
    }

private:
    // 模拟一个全局的游戏管理器
    static std::vector<std::shared_ptr<GameObject>>& get_game_manager() {
        static std::vector<std::shared_ptr<GameObject>> manager;
        return manager;
    }
};

void enable_shared_from_this_example() {
    std::cout << "\n--- enable_shared_from_this Example ---" << std::endl;

    // 重要：要使用 shared_from_this，对象必须首先被一个 shared_ptr 管理
    auto obj1 = std::make_shared<GameObject>();

    // 让对象自己把自己注册到管理器中
    obj1->add_to_manager();

    std::cout << "After registration, obj1 use count: " << obj1.use_count() << std::endl;

    // 尝试在没有被 shared_ptr 管理的情况下调用
    GameObject raw_obj;
    try {
        // 这会抛出一个 std::bad_weak_ptr 异常
        // raw_obj.get_shared_ptr();
    }
    catch (const std::bad_weak_ptr& e) {
        std::cout << "Caught expected exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    std::cout << "Function scope is ending..." << std::endl;
}

int main() {
    enable_shared_from_this_example();
    // main 结束后，全局的 manager 才被销毁，最终 GameObject 被释放
    return 0;
}

12shared_ptr 和 Lambda 实现自定义删除器

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#include <memory>
#include <iostream>

struct ThirdPartyResource {
    ThirdPartyResource(int id) : id_(id) { std::cout << "Resource " << id_ << " acquired." << std::endl; }
    int id_;
};

// 假设这是一个第三方C库的释放函数
void release_third_party_resource(ThirdPartyResource* res) {
    std::cout << "Custom C-style release function called for resource " << res->id_ << "." << std::endl;
    delete res; // 假设它内部也是用 delete
}

void shared_ptr_deleter_example() {
    std::cout << "\n--- shared_ptr Custom Deleter Example ---" << std::endl;

    // 创建 shared_ptr，并将自定义删除器作为第二个参数传入
    // 使用 lambda 表达式非常方便
    std::shared_ptr<ThirdPartyResource> res_ptr(
        new ThirdPartyResource(101),
        [](ThirdPartyResource* r) {
            std::cout << "Custom lambda deleter called for resource " << r->id_ << "." << std::endl;
            delete r;
        }
    );

    // 也可以传递一个函数指针
    std::shared_ptr<ThirdPartyResource> res_ptr2(new ThirdPartyResource(102), &release_third_party_resource);

    std::cout << "Function scope is ending, resources will be released." << std::endl;
}

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