C++进阶：智能指针

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目录

[1. 智能指针使用场景分析](#1. 智能指针使用场景分析)

[2. RAII和智能指针的设计思路](#2. RAII和智能指针的设计思路)

[3. C++标准库智能指针的使用](#3. C++标准库智能指针的使用)

[3.1 智能指针的拷贝问题](#3.1 智能指针的拷贝问题)

[3.2 智能指针的使用](#3.2 智能指针的使用)

[4. 智能指针的原理](#4. 智能指针的原理)

[5. shared_ptr和weak_ptr](#5. shared_ptr和weak_ptr)

[5.1 shared_ptr循环引用问题](#5.1 shared_ptr循环引用问题)

[5.2 weak_ptr](#5.2 weak_ptr)

[6. shared_ptr的线程安全问题](#6. shared_ptr的线程安全问题)

[7. 内存泄漏](#7. 内存泄漏)

[7.1 内存泄漏及危害](#7.1 内存泄漏及危害)

[7.2 如何避免内存泄漏](#7.2 如何避免内存泄漏)

---

1. 智能指针使用场景分析

在某个函数栈帧中，在new申请资源以后，我们需要delete释放资源，但是抛异常throw导致后面的delete没有得到执行，因此我们需要在该函数的catch块捕获异常并delete资源，再进行异常的重新抛出。

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？new本身也可能抛异常 
	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;
}

但是需要注意的是：new本身申请内存失败的话也会抛异常，连续的new和Divide都可能抛异常，处理起来比较麻烦，因此我们引入智能指针来解决这个问题。

2. RAII和智能指针的设计思路

1）、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。

2）、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，避免资源泄漏的问题。

3）、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一样，重载 operator* / operator-> / operator 等运算符，方便访问资源。

// 智能指针
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()
{
	
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
	SmartPtr<pair<int,int>> sp3 = new pair<int,int>[10];
	
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Divide(len, time) << endl;

	sp1[5] = 50;
	sp3->first = 1;
	sp3->second = 2;
	
}

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;
}

​

如图可以看到，通过3个智能指针对象管理的资源，在对象销毁的的时候也会进行释放。

3. C++标准库智能指针的使用

3.1 智能指针的拷贝问题

// 智能指针拷贝问题
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;
	}
};



int main()
{
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2(sp1); 
    // 智能指针模拟的是原生指针的行为，不能写深拷贝，想要的就是sp1给sp2，两者指向同一资源，但是这里会析构两次报错

	// 本质就是需要浅拷贝，sp1和sp2共同管理同一资源
    return 0;
}

3.2 智能指针的使用

1）、C++标准库中的智能指针都在 <memory> 这个头文件下面，除了 weak_ptr 外，其他都符合RAII和普通指针一样访问的行为。

2）、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管理权转移给拷贝对象，会导致被拷贝对象悬空 ，访问报错的问题。C++11之后强烈建议不要使用auto_ptr。

auto_ptr<Date> ap1(new Date);
// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空 
auto_ptr<Date> ap2(ap1);
// 空指针访问，ap1对象已经悬空 
// ap1->_year++;

3）、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，他的特点是不支持拷贝，只支持移动。如果不需要拷贝的场景就建议使用他。

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 
unique_ptr<Date> up3(move(up1));

4）、share_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。

shared_ptr<Date> sp1(new Date);
// ⽀持拷⻉ 
shared_ptr<Date> sp2(sp1);
shared_ptr<Date> sp3(sp2);
cout << sp1.use_count() << endl;
sp1->_year++;
cout << sp1->_year << endl;
cout << sp2->_year << endl;
cout << sp3->_year << endl;

5）、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。

6）、智能指针析构时默认时进行delete释放资源，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。

7）、智能指针支持在析构时给一个删除器 ，所谓的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
unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); // 可以管理new[]的资源

// 仿函数对象做为智能指针的删除器
class Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};

int main()
{
	std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	//std::shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]); // 底层是delete，不是delete[]，不能释放数组
	std::shared_ptr<Date[]> sp2(new Date[10]); // 需要指定数组类型，底层是delete[]，可以释放数组，本质是底层做了特化
	std::shared_ptr<Date> sp3(new Date[10], [](Date* ptr) { delete[] ptr; }); // lambda表达式做为智能指针的删除器)

	shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
	// lambda表达式做为智能指针的删除器
	shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
		});

	// unique_ptr 
	std::unique_ptr<Date> up1(new Date); 
	std::unique_ptr<Date[]> up2(new Date[10]);
	std::unique_ptr<FILE, Fclose> up3(fopen("Test.cpp", "r"));
	
	return 0;
}

8）、shared_ptr 除了支持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。

std::shared_ptr<Date> sp1(new Date(2026, 9, 5));
shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2026, 9, 5); 
// make_shared底层new Date，返回shared_ptr<Date>

9）、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。这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<Date> sp4;
// if (sp1.operator bool())
if (sp1)
	cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
if (!sp4)
	cout << "sp1 is nullptr" << endl;

10）、shared_ptr 和 unique_ptr 的构造函数都使用 explicit 修饰，防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

4. 智能指针的原理

shared_ptr 的底层原理就是引用计数，这里一份资源就需要一个引用计数 ，因此引用计数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share_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。

namespace cxr
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		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)
		{
			if (_ptr)
				++(*_pcount);
		}

		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr)
			{
				if (--(*_pcount) == 0)
				{
					cout << "delete" << _ptr << endl;
					delete _ptr;
					delete _pcount;
				}

				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
			}

			return *this;
		}

		~shared_ptr()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				cout << "delete " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
		}

		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount; // 引用计数
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; }; // 删除器
	};
}

int main()
{
	cxr::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	cxr::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	cxr::shared_ptr<Date> sp3 = sp2;

	cxr::shared_ptr<Date> sp4(new Date); // 析构两次

	sp1 = sp4; // 赋值拷贝，sp1原来指向的资源引用计数减1，sp4引用计数加1

	return 0;
}

5. shared_ptr和weak_ptr

5.1 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，也支持拷贝，但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放导致内存泄漏。我们需要用weak_ptr解决这个问题。

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.

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;

	return 0;
}

5.2 weak_ptr

1）、weak_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，那么就能解决上述的循环引用问题。

2）、weak_ptr 也没有重载 operator* 和 operator-> 等，因为他不参与资源管理，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。

3）、weak_ptr 支持expired检测指向的资源是否过期，use_count也可以获取shared_ptr的引用计数。

4）、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，如果资源没有被释放，则返回的shared_ptr访问资源是安全的。

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;
}

6. shared_ptr的线程安全问题

1）、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。

2）、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。

3）、下⾯的程序会崩溃或者A资源没释放，cxr::shared_ptr引⽤计数从int*改成atomic<int>*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。

struct AA
{
	int _a1 = 0;
	int _a2 = 0;
	~AA()
	{
		cout << "~AA()" << endl;
	}
};
int main()
{
	cxr::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 
				cxr::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;
}

7. 内存泄漏

7.1 内存泄漏及危害

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。

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，⻚表的映射关系解除，物理内存也可以释放。⻓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、⻓时间运⾏的客⼾端等等，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。

7.2 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。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。

2）、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。

3）、总结⼀下：内存泄漏⾮常常⻅，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。

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