博主介绍:程序喵大人
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一、裸指针的困境
先来看一段典型的裸指针代码:
cpp
void foo() {
MyClass* p = new MyClass();
// 业务逻辑
delete p; // 如果忘了,内存泄漏
}
如果 delete p
忘写,程序就会内存泄漏;如果写了两次,程序又可能崩溃。
裸指针的手动管理不但繁琐,还容易引入难以察觉的错误。
二、智能指针的设计目标
智能指针本质是一个类,封装裸指针,负责:
- 自动释放资源,防止内存泄漏
- 明确资源所有权,防止重复释放
- 操作简洁,支持类似裸指针的访问方式
三、手写独占智能指针 ------ SimpleSmartPtr
我们先实现一个独占式智能指针,它独自拥有指针资源,不允许复制,只能移动。
cpp
template<typename T>
class SimpleSmartPtr {
T* ptr;
public:
// 构造函数,默认nullptr
explicit SimpleSmartPtr(T* p = nullptr) : ptr(p) {}
// 析构函数,释放资源
~SimpleSmartPtr() {
delete ptr;
}
// 禁止拷贝构造和拷贝赋值,防止重复释放
SimpleSmartPtr(const SimpleSmartPtr&) = delete;
SimpleSmartPtr& operator=(const SimpleSmartPtr&) = delete;
// 支持移动构造,实现资源转移
SimpleSmartPtr(SimpleSmartPtr&& other) noexcept : ptr(other.ptr) {
other.ptr = nullptr;
}
// 支持移动赋值,实现资源转移
SimpleSmartPtr& operator=(SimpleSmartPtr&& other) noexcept {
if (this != &other) {
delete ptr; // 释放原有资源
ptr = other.ptr; // 接管新资源
other.ptr = nullptr; // 置空旧指针
}
return *this;
}
// 解引用操作符,支持指针操作
T& operator*() const { return *ptr; }
T* operator->() const { return ptr; }
// 获取裸指针
T* get() const { return ptr; }
};
关键点详解:
- 构造函数 接收一个裸指针,默认
nullptr
。 - 析构函数 确保指针析构时,资源自动释放。
- 禁止拷贝:防止多个智能指针同时管理同一资源,避免双重释放。
- 支持移动:允许智能指针资源所有权转移,防止资源浪费。
- 操作符重载:让智能指针表现得像普通指针,方便使用。
四、为什么禁止拷贝?为什么要支持移动?
如果允许拷贝:
cpp
SimpleSmartPtr<MyClass> p1(new MyClass());
SimpleSmartPtr<MyClass> p2 = p1; // 拷贝,两个智能指针指向同一个裸指针
两个智能指针都会在析构时 delete
同一指针,导致重复释放,程序崩溃。
移动语义允许资源所有权在智能指针之间安全转移:
cpp
SimpleSmartPtr<MyClass> p2 = std::move(p1); // p2接管资源,p1置空
这样避免了重复释放,也能灵活转移资源。
五、引用计数智能指针 shared_ptr 基本思路
独占式智能指针不能满足多处共享对象需求。C++ 标准库提供了 std::shared_ptr
,通过引用计数实现资源共享管理。
核心原理是:
- 引用计数存放在堆上,所有
shared_ptr
实例共享 - 每次拷贝构造/赋值计数加1,析构计数减1
- 计数为0时释放资源
手写引用计数智能指针虽然稍复杂,但思路简单:增加一个计数器成员指针,管理引用次数。
六、weak_ptr 的角色
当两个对象相互持有 shared_ptr
,就会产生循环引用,导致计数永远不为0,资源泄漏。
weak_ptr
是一种不增加引用计数的智能指针,专门用来观察 shared_ptr
,避免循环引用。
七、小结
通过手写智能指针,你不仅能:
- 理解 RAII(资源获取即初始化)理念
- 掌握移动语义、禁止拷贝的重要设计
- 理解资源所有权与生命周期管理
- 理解引用计数智能指针的基本原理
还能让你写出更安全、高效、易维护的现代 C++ 代码。
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