C++智能指针

想唱rap2026-04-18 18:12

一、内存泄漏

1.1 什么是内存泄漏以及内存泄漏的危害

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的情况。内

存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而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：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现

内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

cpp 复制代码 
int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
	// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
	// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
	// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int;
	cout << div() << endl;
	delete p1;
	delete p2;
}
void MemoryLeaks()
{
	// 1.内存申请了忘记释放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.异常安全问题
	int* p3 = new int[10];

	Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.

	delete[] p3;
}

1.2内存泄漏分类

（1）堆内存泄漏(Heap leak)

堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

（2）系统资源泄漏

指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

1.3如何避免内存泄漏

  1. 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。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。

  2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。

  3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。

  4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结:

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。

二、智能指针的使用及原理

2.1 RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之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。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

（1）不需要显式地释放资源。

（2）采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

使用RAII思想设计的SmartPtr类

cpp 复制代码 
template<class T>
class SmartPtr {
public:
	//资源交给对象管理，对象生命周期内，资源有效，对象生命周期到了，释放资源
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{
	}
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
		}
	}

private:
	T* _ptr;
};
int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	SmartPtr<int> sp2(new int);
}
void test1()
{
	Func();
}

2.2智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可

以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载，才可让其

像指针一样去使用。

cpp 复制代码 
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{
	}

	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
void test2()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10;
	cout << *sp1 << endl;

	SmartPtr<Date> d1(new Date);
	
	// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
	// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
	d1->_year = 2018;
	d1->_month = 1;
	d1->_day = 1;
}

总结一下智能指针的原理：

  1. RAII特性

  2. 重载operator * 和opertaor->，具有像指针一样的行为。

三、memory库里的智能指针

3.1auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。

auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份bit::auto_ptr来了解它的原理

C++98 管理权转移 auto_ptr模拟实现：

cpp 复制代码 
namespace my_auto_ptr
{
	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;
			}
		}

		//重载指针的解引用和箭头
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

总结：auto_ptr是一个失败设计，很多地方明确要求不能使用auto_ptr

auto_ptr的使用：

cpp 复制代码 
void test3()
{
 std::auto_ptr<int> sp1(new int);
 std::auto_ptr<int> sp2(sp1); //这里只是管理权转移

 // sp1悬空
 *sp2 = 10;
 cout << *sp2 << endl;
 cout << *sp1 << endl;
}

管理权转移：在拷贝时，会把被拷贝对象的资源管理权转移给拷贝对象，从而导致被拷贝对象悬空

进而访问出现问题

3.2 unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr

unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理

C++11库才更新智能指针实现

C++11出来之前，boost搞除了更好用的scoped_ptr/shared_ptr/weak_ptr

C++11将boost库中智能指针精华部分吸收了过来

C++11->unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr

unique_ptr/scoped_ptr原理：简单粗暴 -- 防止拷贝

3.2.1unique_ptr的模拟实现

cpp 复制代码 
namespace my_unique_ptr
{
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{
		}

		~unique_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		
		//提供指针的接引用和箭头重载
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}

		//防止拷贝
		unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
	private:
		T* _ptr;
	};
}

3.2.1unique_ptr的测试使用：

cpp 复制代码 
void test5()
{
 my_unique_ptr::unique_ptr<int> sp1(new int);
 //unique_ptr不能进行拷贝
 my_unique_ptr::unique_ptr<int> sp2(sp1);

 std::unique_ptr<int> sp1(new int);
 //unique_ptr不能进行拷贝
 std::unique_ptr<int> sp2(sp1);
}

3.3 shared_ptr

3.3.1 shared_ptr的原理

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源

  1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。

  2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。

  3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；

  4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

3.3.2 shared_ptr的模拟实现：

cpp 复制代码 
namespace my_shared_ptr
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_pcount(new int(1))
		{
		}

		//定制删除器
		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			:_ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			,_del(del)
		{
		}

		~shared_ptr()
		{
			//对引用计数进行减减判断,减到0再析构
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				_del(_ptr);
				//delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
		}

		//提供指针的接引用和箭头重载
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}

		//拷贝构造
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.Get())
			, _pcount(sp._pcount)
		{
			++(*_pcount);
		}

		//赋值
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			//判断是否为自己给自己赋值
			if (_ptr == sp.Get())
			{
				return *this;
			}

			//判断自己的计数是否减到0，减到0就要析构
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
			//让其指向新的资源
			_ptr = sp.Get();
			_pcount = sp._pcount;
			//计数++
			++(*_pcount);

			return *this;
		}

		int use_count()const
		{
			return *_pcount;
		}

		T* Get()const
		{
			return *_pcount;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
		fuctional<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};
}

3.3.3 shared_ptr的测试

cpp 复制代码 
void test7()
{
	//拷贝
	my_shared_ptr::shared_ptr<int> sp1(new int);
	my_shared_ptr::shared_ptr<int> sp2(sp1);
	my_shared_ptr::shared_ptr<int> sp3(sp1);

	my_shared_ptr::shared_ptr<int> sp4(new int);
	my_shared_ptr::shared_ptr<int> sp5(sp4);

	//赋值
	sp1 = sp1;
	sp1 = sp2;

	sp1 = sp4;
	sp2 = sp4;
	sp3 = sp4;
}

3.3.4 shared_ptr的循环引用

cpp 复制代码 
struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode() 
	{ 
		cout << "~ListNode()" << endl; 
	}

};
void test7()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;

	//循环引用问题
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;

	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
}

以上场景会产生shared_ptr的问题之循环引用的问题

  1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。

  2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。

  3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。

  4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。

  5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。

  6. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。

解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了

原理就是，node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。

cpp 复制代码 
struct ListNode
{
	int _data;
	weak_ptr<ListNode> _prev;
	weak_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}

};
void test8()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;

	//循环引用问题
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;

	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
}

注意：weak_ptr不是RAII智能指针，它是专门为了解决shared_ptr的循环引用而产生的指针

3.4实现简易版的weak_ptr:

注意：weak_ptr不是RAII智能指针，它是专门为了解决shared_ptr的循环引用而产生的指针

cpp 复制代码 
namespace my_weak_ptr
{
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
			:_ptr(nullptr)
		{
		}

		//不参与管理资源，所以不需要析构

		//用shared_ptr来构造
		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{
			//不参与引用计数
		}

		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			//不参与引用计数
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}

		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

总结：

1、auto_ptr:管理权限的转移，会导致被拷贝的对象悬空，一般不要使用

2、unique_ptr:禁止拷贝，简单粗暴，在日常使用不需要进行拷贝的场景，建议使用

3、shared_ptr:引用计数支持拷贝，需要拷贝的场景，就是用它，但是要小心构成循环引用，循环引用会导致内存的泄漏

4、weak_ptr:专门解决shared_ptr的循环引用问题，不增加shared_ptr引用计数，不参与资源的管理

四、C++11和boost中智能指针的关系

  1. C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.

  2. C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.

  3. C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。

  4. 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。

五、定制删除器

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << this;
		cout << " ~A()" << endl;
	}
	//private:

	int _a;
};
template<class T>
struct DeleteArray
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
};


void test8()
{
	my_shared_ptr::shared_ptr<A> sp1(new A[10], DeleteArray<A>());
	my_shared_ptr::shared_ptr<A> sp2((A*)malloc(sizeof(A)), [](A* ptr) {free(ptr); });
	my_shared_ptr::shared_ptr<FILE> sp3(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
		});

	my_shared_ptr::shared_ptr<A> sp1(new A);
}
相关推荐
吕源林2 小时前
如何解决SQL存储过程连接泄露_确保在异常后关闭连接
jvm·数据库·python
野生技术架构师2 小时前
牛客网热门Java 面试题汇总，查漏补缺；多线程 +spring+JVM 调优 + 分布式 +redis+ 算法
java·jvm·spring
Strugglingler2 小时前
基于whiptail开发shell导航工具
linux·shell·ui设计·whiptail
艾醒(AiXing-w)2 小时前
Linux系统管理（二十）——Linux root磁盘不足？一站式应急清理方案（亲测可用）
linux·运维·服务器
wq_2 小时前
Mysql-MVCC
mysql·面试
会编程的土豆3 小时前
【日常做题】 代码随想录（岛屿最大面积+寻宝）
数据结构·算法·图论
前进吧-程序员3 小时前
现代 C++ 异步编程：从零实现一个高性能 ThreadPool (C++20 深度实践)
开发语言·c++·c++20
小义_3 小时前
【Kubernetes】（五） pod2
linux·云原生·容器·kubernetes
xhuiting3 小时前
JVM专题（三）
jvm
热门推荐
012026年4月技术前沿：AI大模型爆发、智能体革命与量子安全新纪元02GitHub 镜像站点032026 年 AI 编程助手全面对比评测：Cursor vs Copilot vs Claude Code vs GitHub Copilot Free04GPT-6发布日深度解析-Symphony架构200万Token实战05AI Weekly | 2026年4月第二周 · GitHub热门项目与AI发展趋势深度解析06零成本！Ollama本地部署国产大模型全指南（支持Kimi-K2.5/GLM-5/Qwen，新手秒上手）07一周AI热点速览（2026.03.31-04.06）：GPT-6曝光、谷歌开源Gemma 4、资本狂飙与模型军备竞赛08从限购到畅通：GLM-5.1 Coding Plan接入攻略09基于 Docker 部署 Hermes Agent 并接入飞书机器人的完整指南10从零部署 Hermes Agent：一只"会成长的 AI 马"保姆级安装教程