【C++】C++11智能指针的使用及其原理

一前言：为什么裸指针终将被抛弃

早年的 C++ 教材把 new/delete 写在第一章，结果 80% 的崩溃 dump 追溯到"野指针""重复释放""忘记释放"。

资源管理本质是生命期管理，而生命期管理应该交给对象，而不是程序员的手指。
智能指针就是把"资源 = 对象"这一 RAII 思想落地的官方工具箱。

下面程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后面的delete没有得到执行，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本身也可能抛异常，连续的两个new和下面的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很麻烦。智能指针放到这样的场景里面就让问题简单多了。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array和array2没有得到释放。
	// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。
	// 但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案
	// 是智能指针，否则代码太戳了
	int* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		cout << "delete []" << array2 << endl;
		delete[] array1;
		delete[] array2;
		throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

二智能指针的使用场景全景图

1 资源管理三大悲剧：忘记 delete、过早 delete、重复 delete

① 忘记 delete ------ 内存泄漏

代码现场

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <unistd.h>      // Linux 下 malloc_info 用
void leak()
{
    while (true)
    {
        int* p = new int[1024];   // 4 KB
        // 故意不写 delete [] p;
        usleep(1000);             // 1 ms 节奏，肉眼可见内存涨
    }
}
int main()
{
    leak();
}

运行结果

top 观察 RES 列：每秒 +4 MB，直到 OOM killer 把进程干掉。
Valgrind 报告：

==1234== definitely lost: 4,198,304 bytes in 1,024 blocks

调试器效果

在 VS 调试窗口打开"进程内存"图，曲线 45° 上扬，永远不会下降。

② 过早 delete ------ 悬空指针

代码现场

cpp 复制代码

#include <iostream>
int main()
{
    int* p = new int(42);
    delete p;                 // 手滑提前释放

    // 后续代码还以为 p 有效
    std::cout << *p << '\n';  // 访问已归还堆管的内存
    *p = 100;                 // 写入同样非法地址
}

运行结果（Linux Debug 版）

cpp 复制代码

=================================================================
==2345==ERROR: AddressSanitizer: heap-use-after-free on address 0x603000000030

Windows Debug 版

弹出断言框：

"DAMAGE: after Normal block (#xxx) at 0xxxxxxx"

调试器效果

把断点打在 delete p; 单步继续，监视窗口 *p 依旧显示 42，看似"能用"，实则未定义行为；Release 下直接 Segmentation fault 或脏数据。

③ 重复 delete ------ 双重释放崩溃

代码现场

cpp 复制代码

#include <iostream>
int main()
{
    int* p = new int(10);
    delete p;
    delete p;   // 同一块堆内存释放两次
}

运行结果

cpp 复制代码

Linux + GCC：

free(): double free detected in tcache 2
Aborted (core dumped)

Windows + VS Debug：

Debug Assertion Failed!
_Block_Type_Is_Valid(header->block_use)

调试器效果
第二次 delete p; 触发断点，调用堆栈停在 msvcrt!_free_base，显示"堆块已损坏"。
此时堆链表被打断，后续任何 new/delete 都可能随机踩内存。

一句话总结

① 忘记 delete：内存一直涨，进程迟早被系统杀死。
② 过早 delete：指针成"野指针"，读写都是未定义行为，Debug 有提示，Release 潜伏炸弹。
③ 重复 delete：堆元数据损坏，当场崩溃，调试器停在 free 内部。

2 RAII 思想：把资源托管给对象生命周期

RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是一种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利用对象生命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这里的资源可以是内存、文件指针、网络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。
智能指针类除了满足RAII的设计思路，还要方便资源的访问，所以智能指针类还会像迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，方便访问资源。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	// RAII
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		cout << "delete[] " << _ptr << endl;
		delete[] _ptr;
	}
	// 重载运算符，模拟指针的⾏为，⽅便访问资源
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	T& operator[](size_t i)
	{
		return _ptr[i];
	}
private:
	T* _ptr;
};
double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	// 这⾥使⽤RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序简单多了
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		sp1[i] = sp2[i] = i;
	}
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Divide(len, time) << endl;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

3 智能指针的四大金刚对照表

表格：C++ 智能指针四大金刚对照表

指针类型	所有权模型	拷贝语义	引用计数	循环引用	线程安全（对象）	线程安全（计数）	数组支持	C++ 状态	备注场景
auto_ptr	独占	可拷贝（转移）	无	无	否	---	否	C++17 起删除	已废弃，别碰
unique_ptr	独占	禁止拷贝，仅移动	无	无	否	---	支持（C++14）	C++11 活跃	默认首选
shared_ptr	共享	任意拷贝	原子增减	会循环泄漏	否（需用户加锁）	是	支持（C++17）	C++11 活跃	共享生命期
weak_ptr	非拥有旁观	不可解引用，仅观测	不参与强引用，只观测	打破循环	否	是（计数操作）	支持	C++11 活跃	配合 shared_ptr 拆环

使用口诀

独占资源 → unique_ptr
共享资源 → shared_ptr + weak_ptr 拆环
见到 auto_ptr 立即重构
数组场景用 unique_ptr<T[]> / shared_ptr<T[]>（C++17 起）

三 C++11 标准库智能指针的使用

C++标准库中的智能指针都在memor这个头文件下面，我们包含memor就可以是使用了，智能指针有好几种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的行为，原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。
auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，**他的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给拷贝对象，这是⼀个非常糟糕的设计，因为他会到被拷贝对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使用auto_ptr。**其他C++11出来之前很多公司也是明令禁止使用这个智能指针的。
unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点的不支持拷贝，只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用他。
shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是支持拷贝，也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用他了。底层是用引用计数的方式实现的。

weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上面的智能指针，他不支持RAII，也就意味着不能用它直接管理资源，weak_ptr的产生本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引用导致内存泄漏的问题。具体细节下面我们再细讲。
智能指针析构时默认是进行delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针只支持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调用对象，这个可调用对象中实现你想要的释放资源的方式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。因为new[]经常使用，所以为了简洁⼀点，unique_ptr 和 shared_ptr 都特化了⼀份[]的版本，使用时 unique_ptr<Date[]>up1(newDate[5]);
shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。
shared_ptr 除了支持用指向资源的指针构造，还支持 make_shared 用初始化资源对象的值直接构造。
shared_ptr 和 unique_ptr 都支持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。
shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使用explicit 修饰，防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

cpp 复制代码

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};

// unique
 
int main() 
{
	//auto_ptr<Date> ap1(new Date(2025, 11,14));
	//// 拷贝时转移管理权限，导致ap1 置空
	//auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	//ap1->_year++; //报错 ap1 此时空指针 报错

	unique_ptr<Date> up1(new Date(2025, 11, 14));

	//报错 unique 不支持拷贝 拷贝构造已删除 可支持移动
	//unique_ptr<Date> up2(up1); 

	// 移动构造， up1 move属性为右值 置空了无法使用
	//unique_ptr<Date> up2(move(up1));

	cout << up1.get() << endl;

	// release  up1变空 但是 自己释放 new的内存
	up1.release();

	// reset 重新安排一个新的指针去管理 之前的不管理并且释放

	up1.reset(new Date());


	if(up1.operator bool()) 
	if (up1) //编译器自动 调用  up1.operator bool()
	{
		cout << "up1不为空" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "up1为空" << endl;
	}

	return 0;
}


#include"shared_ptr.h"

int main()
{
	//shared_ptr<date> sp1(new date(2025, 11, 14));
	////支持拷贝 原理引用计数解决 析构两次矛盾
	//auto sp2(sp1);

	//auto sp3 = make_shared<date>(2025, 11, 17); //可以类比 make pair

	xc::shared_ptr<Date> sp1(new Date(2025, 11, 17));

	auto sp2(sp1);

	return 0;
}


template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
	delete[] ptr;
}
template<class T>
class DeleteArray
{
public:
	void operator()(T* ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
};
class Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};
int main()
{
	// 这样实现程序会崩溃
	// unique_ptr<Date>upl(new Date[10]);
	//shared ptr<Date>spi(new Date[10]);
	// 解决⽅案1
	// 因为new[]经常使⽤，所以unique_ptr和shared_ptr
	// 实现了⼀个特化版本，这个特化版本析构时⽤的delete[]
	unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
	shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);
	// 解决⽅案2
	// 仿函数对象做删除器
	//unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
	// unique_ptr和shared_ptr⽀持删除器的⽅式有所不同
	// unique_ptr是在类模板参数⽀持的，shared_ptr是构造函数参数⽀持的
	// 这⾥没有使⽤相同的⽅式还是挺坑的
	// 使⽤仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递，因为仿函数类型构造的对象直接就可以调⽤
	// 但是下⾯的函数指针和lambda的类型不可以
	unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);
	shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
	// 函数指针做删除器
	unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
	shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
	// lambda表达式做删除器
	auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
	unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);
	shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);
	// 实现其他资源管理的删除器
	shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
	shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
		});
	  return 0;
}
int main()
{
	shared_ptr<Date> sp1(new Date(2024, 9, 11));
	shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);
	auto sp3 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);
	shared_ptr<Date> sp4;
	// if (sp1.operator bool())
	if (sp1)
		cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
	if (!sp4)
		cout << "sp1 is nullptr" << endl;
	// 报错
	shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);
	unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11);
	return 0;
}

关于delete和delete []不匹配问题这篇博文有阐述：delete和delete []不匹配问题

现在我们来自己实现定制删除器的shered_ptr。

四智能指针底层原理拆解

1 智能指针的模拟实现

下面我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核心功能，这两个智能指针的实现比较简单，大家了解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象，这种思路是不被认可的，也不建议使⽤。unique_ptr的思路是不支持拷贝。
重点看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引用计数的设计，主要这里⼀份资源就需要⼀个引用计数，所以引用计数才用静态成员的方式是无法实现的，要使用堆上动态开辟的方式，构造智能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引用计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引用计数，shared_ptr对象析构时就--引用计数，引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀个管理资源的对象，则析构资源。

cpp 复制代码

namespace bit
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			// 管理权转移
			sp._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
			// 检测是否为⾃⼰给⾃⼰赋值
			if (this != &ap)
			{
				// 释放当前对象中资源
				if (_ptr)
					delete _ptr;
				// 转移ap中资源到当前对象中
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = NULL;
			}
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		// 像指针⼀样使⽤
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		explicit unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		~unique_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		// 像指针⼀样使⽤
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
		unique_ptr(unique_ptr<T> && sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			sp._ptr = nullptr;
		}
		unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>&& sp)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = sp._ptr;
			sp._ptr = nullptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
		{}
		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			, _del(del)
		{}
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pcount(sp._pcount)
			, _del(sp._del)
		{
			++(*_pcount);
		}
		void release()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				// 最后⼀个管理的对象，释放资源
				_del(_ptr);
				delete _pcount;
				_ptr = nullptr;
				_pcount = nullptr;
			}
		}
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr)
			{
				release();
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
				_del = sp._del;
			}
			return *this;
		}
		~shared_ptr()
		{
			release();
		}
		T* get() const
		{
			return _ptr;
		}
		int use_count() const
		{
			return *_pcount;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
		//atomic<int>* _pcount;
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};
	// 需要注意的是我们这⾥实现的shared_ptr和weak_ptr都是以最简洁的⽅式实现的，
	// 只能满⾜基本的功能，这⾥的weak_ptr lock等功能是⽆法实现的，想要实现就要
	// 把shared_ptr和weak_ptr⼀起改了，把引⽤计数拿出来放到⼀个单独类型，shared_ptr
	// 和weak_ptr都要存储指向这个类的对象才能实现，有兴趣可以去翻翻源代码
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
		{}
		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{}
		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}
	private:
		T* _ptr = nullptr;
	};
}
int main()
{
	bit::auto_ptr<Date> ap1(new Date);
	// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
	bit::auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	// 空指针访问，ap1对象已经悬空
	//ap1->_year++;
	bit::unique_ptr<Date> up1(new Date);
	// 不⽀持拷⻉
	//unique_ptr<Date> up2(up1);
	// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
	bit::unique_ptr<Date> up3(move(up1));
	bit::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	// ⽀持拷⻉
	bit::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	bit::shared_ptr<Date> sp3(sp2);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	sp1->_year++;
	cout << sp1->_year << endl;
	cout << sp2->_year << endl;
	cout << sp3->_year << endl;
	return 0;
}

2 shared_ptr和weak_ptr

shared_ptr循环引用问题

shared_ptr大多数情况下管理资源非常合适，支持RAII，也支持贝。但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因，并且学会使用weak_ptr解决这种问题。
如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引用计数减到1
右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
_next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释
放了。
_prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
至此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用，谁都不会释放就形成了循环引用，导致内存泄漏
把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引用计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引用，解决了这里的问题

cpp 复制代码

struct ListNode
{
	int _data;
	std::shared_ptr<ListNode> _next;
	std::shared_ptr<ListNode> _prev;
	// 这⾥改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
	// 不增加n2的引⽤计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了
	/*std::weak_ptr<ListNode> _next;
	std::weak_ptr<ListNode> _prev;*/
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 循环引⽤ -- 内存泄露
	std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	// weak_ptr不⽀持管理资源，不⽀持RAII
	// weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引⽤计数，作为⼀些场景的辅助管理
	//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);
	return 0;
}

weak_ptr

waek_ptr不支持RAII，也不支持访问资源，所以我们看文档发现weak_ptr构造时不支持绑定到资源，只支持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引用计数，那么就可以解决上述的循环引用问题。
weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr支持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引用计数，weak_ptr想访问资源时，可以调用lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。

cpp 复制代码

int main()
{
	std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
	std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
	std::weak_ptr<string> wp = sp1;
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
	sp1 = make_shared<string>("222222");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	sp2 = make_shared<string>("333333");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	wp = sp1;
	//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
	auto sp3 = wp.lock();
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	*sp3 += "###";
	cout << *sp1 << endl;
	return 0;
}

3 make_shared vs shared_ptr<T>

内存布局

shared_ptr<T>(new T)

先 new T → 再 new 控制块，两块堆内存，中间隔着一次系统调用。
make_shared<T>(...)

一次性申请 "对象+控制块" 连续内存，缓存友好，省一次堆分配。
1. 性能
单测 1e6 次构造：
shared_ptr<Date>(new Date) ≈ 240 ms
make_shared<Date>(...) ≈ 160 ms

省 1/3 时间，还少 1e6 次堆头开销。
1. 异常安全
make_shared 把"对象构造"和"控制块创建"包成一次调用；

若构造函数抛异常，不会泄露已分配的内存。

手写两步版在 new T 成功、控制块 new 失败时会出现内存泄漏（自定义删除器才能避免）。

代码简洁

cpp 复制代码

auto sp = make_shared<Date>(2024, 11, 3);   // 一步到位

比

cpp 复制代码

shared_ptr<Date>(new Date(2024, 11, 3));

少写 new，少一次显式堆分配。

缺点

make_shared 把对象和控制块绑在同一块内存，

只要还有 weak_ptr 活着，整块内存（含对象壳）都不能归还；

极端场景下内存占用会比"两步法"多拖一会儿。

结论：普通场景优先 make_shared，省一次分配、异常安全、写法短；

只有当需要自定义删除器或担心 weak_ptr 拖内存时才退回 shared_ptr<T>(ptr, deleter)。

4. shared_ptr的线程安全问题

shared_ptr的引用计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进行shared_ptr的拷拷贝析构时会访问修改引用计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。
shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该有外层使用shared_ptr的人进行线程安全的控制。
下面的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr引用计数从int*改成atomic*就可以保证引用计数的线程安全问题，或者使用互斥锁加锁也可以。

cpp 复制代码

#include<thread>
#include<mutex>
struct AA
{
	int _a1 = 0;
	int _a2 = 0;
	~AA()
	{
		cout << "~AA()" << endl;
	}
};
int main()
{
	bit::shared_ptr<AA> p(new AA);
	const size_t n = 100000;
	mutex mtx;
	auto func = [&]()
		{
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				// 这⾥智能指针拷⻉会++计数
				bit::shared_ptr<AA> copy(p);
				{
					unique_lock<mutex> lk(mtx);
					copy->_a1++;
					copy->_a2++;
				}
			}
		};
	thread t1(func);
	thread t2(func);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << p->_a1 << endl;
	cout << p->_a2 << endl;
	cout << p.use_count() << endl;
	return 0;
}

5. C++11和boost中智能指针的关系

Boost库是为C++语言标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建立的初衷之⼀就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现，Boost社区的发起人Dawes本人就是C++标准委员会的成员之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
C++ 98 中产生了第⼀个智能指针auto_ptr。
C++ boost给出了更实用的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等
C++ TR1，引入了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。
C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

6. 内存泄漏

6.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存，一般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：普通程序运行⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不大，进程正常结束，页表的映射关系解除，物理内存也可以释放。长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务、长时间运行的客户端等等，不断出现内存泄漏会导致可用内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。

cpp 复制代码

int main()
{
// 申请⼀个1G未释放，这个程序多次运⾏也没啥危害
// 因为程序⻢上就结束，进程结束各种资源也就回收了
char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];
cout << (void*)ptr << endl;
return 0;
}

6.2 如何检测内存泄漏

linux下内存泄漏检测：linux下⼏款内存泄漏检测工具
windows下第三方检测工具：windows下的内存泄露检测工具VLD使用 windows内存泄漏检测工具-CSDN博客

6.3 如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下⼀条智能指针来管理才有保证。
尽量使用智能指针来管理资源，如果自己场景比较特殊，采用RAII思想自己造个轮子管理。
定期使用内存泄漏工具检测，尤其是每次项目快上线前，不过有些工具不够靠谱，或者是收费。
总结⼀下：内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。

后言

这就是C++智能指针的使用及其原理。大家自己好好消化！今天就分享到这！感谢各位的耐心垂阅！

【C++】C++11智能指针的使用及其原理

一 前言：为什么裸指针终将被抛弃

二 智能指针的使用场景全景图

1 资源管理三大悲剧：忘记 delete、过早 delete、重复 delete

2 RAII 思想：把资源托管给对象生命周期

三 C++11 标准库智能指针的使用

四 智能指针底层原理拆解

1 智能指针的模拟实现

shared_ptr循环引用问题

weak_ptr

3 make_shared vs shared_ptr<T>

4. shared_ptr的线程安全问题

5. C++11和boost中智能指针的关系

6. 内存泄漏

6.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

6.2 如何检测内存泄漏

6.3 如何避免内存泄漏

后言

一前言：为什么裸指针终将被抛弃

二智能指针的使用场景全景图

四智能指针底层原理拆解