C++：智能指针

这就是 C++ 现代内存管理的终极复习指南。

在现代 C++（C++11 及以后）中，我们遵循一个原则：默认不使用裸指针（Raw Pointer）来管理所有权。所有的资源（堆内存）都应该被"智能指针"包裹。

C++ 标准库主要提供了三种智能指针，分别对应三种不同的业务逻辑。

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1. std::unique_ptr ------ 独占型（孤狼）

这是 C++ 中使用率最高（90% 的场景）的智能指针。如果你不知道该用哪个，默认选它。

• 核心作用： 独占所有权（Exclusive Ownership）。也就是"这块内存是我的，谁也别想复制，只能我给别人（Move）"。

• 应用场景：

  • 函数内创建临时堆对象。

  • 类内部的成员变量（这个对象只属于这个类）。

  • 工厂函数返回的对象（生产出来给你，所有权转移给你）。

• 性能： 极致高效。它和裸指针大小一样，没有任何额外开销（Zero Overhead）。

• 关键限制： 禁止拷贝（Copy），只能移动（Move）。

C++

std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(10);
// std::unique_ptr<int> p2 = p1; // ❌ 编译报错！不能脚踏两只船
std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // ✅ 可以，p1 被掏空，p2 接管

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2. std::shared_ptr ------ 共享型（合伙人）

当你需要多个指针指向同一个对象，且无法确定谁最后销毁它时使用。

• 核心作用： 共享所有权（Shared Ownership）。

• 原理： 引用计数。每多一个人指向它，计数+1；走一个人，计数-1。当计数归零（最后一个合伙人退出）时，内存释放。

• 应用场景：

  • 容器中存放的对象（比如 vector<shared_ptr<T>>）。

  • 图结构（Graph）中的节点（被多条边指向）。

  • 多线程共享同一个对象。

• 性能： 略有损耗。因为它内部多维护了一个"控制块"（存计数器），且计数器的加减操作是原子操作（Atomic，为了线程安全），比普通指令慢。

C++

auto p1 = std::make_shared<int>(100); // 计数: 1
{
    auto p2 = p1; // ✅ 合法，计数: 2
} // p2 销毁，计数: 1
// p1 销毁，计数: 0 -> 释放内存

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3. std::weak_ptr ------ 观察型（旁观者）

它是 shared_ptr 的辅助助手 ，为了解决 shared_ptr 的缺陷而生。

• 核心作用： 弱引用 。它指向 shared_ptr 管理的对象，但是不增加引用计数。

• 应用场景：

  • 解决循环引用（Circular Reference）： 這是最核心的用途。当 A 指向 B，B 也指向 A 时，如果都用 shared_ptr，谁都死不掉（内存泄漏）。把其中一端改成 weak_ptr 即可打破僵局。

  • 缓存（Cache）： 我想持有对象的引用，但不想阻止它被销毁。如果对象还在，我就用；如果对象没了，我就不操作。

• 用法： 它不能直接访问对象（没有 -> 和 * 操作符），必须先调用 .lock() 升级为 shared_ptr 才能用。

C++

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wp = sp; // 计数依然是 1，wp 只是看着

if (std::shared_ptr<int> temp = wp.lock()) { // 尝试升级
    // 如果 sp 还没死，temp 成功创建，计数暂时+1，在这里安全使用
    std::cout << *temp << std::endl;
} else {
    // 对象已经没了
}

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📊 总结对比表（一张表看懂）

特性	unique_ptr	shared_ptr	weak_ptr
所有权	独占 (1对1)	共享 (N对1)	不拥有 (观察者)
可否复制	❌ (只能移动)	✅	✅
底层开销	无 (等同裸指针)	有 (引用计数+控制块)	有 (引用计数)
内存释放	出作用域立即释放	最后一个指针死掉时释放	不负责释放
推荐指数	⭐⭐⭐⭐⭐ (默认首选)	⭐⭐⭐ (按需使用)	⭐⭐ (配合 shared 使用)
危险性	低	中 (小心循环引用)	低 (需判断是否为空)

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🧠 决策流程图

当你写代码需要申请堆内存时，请按这个流程思考：

1. 这个对象只在当前作用域或者只属于某个类吗？

   • 是 \\rightarrow 用 unique_ptr。

2. 这个对象需要被多个拥有者共享，且无法确定谁最后销毁它吗？

   • 是 \\rightarrow 用 shared_ptr。

3. 用了 shared_ptr 后，A 和 B 会不会互相指着对方？

   • 是 \\rightarrow 将其中一个改为 weak_ptr。

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你现在已经掌握了理论，接下来要不要来做个"破坏性实验"？

我们可以写一段代码，通过 "循环引用" 故意制造一次内存泄漏，亲眼看看 shared_ptr 是怎么失效的，然后再用 weak_ptr 修复它。这能让你彻底理解为什么要有 weak_ptr。