【C++面试】手写智能指针（一）：从unique_ptr理解独占所有权与移动语义

一、unique_ptr到底解决什么问题

普通动态内存通常这样使用：

int *p = new int(10);

使用结束以后：

delete p;

如果忘记：

delete p;

就可能造成：

内存泄漏

例如：

void func() {
    int *p = new int(10);

    // 中间直接return
    return;

    delete p;
}

这里：

delete p;

根本不会执行。

如果中间发生异常，同样可能造成资源没有释放。

所以 C++ 中非常重要的一个思想就是：

RAII

也就是：

资源获取即初始化。

简单来说：

对象创建
   ↓
获取资源

对象销毁
   ↓
自动释放资源

unique_ptr 就是这种思想的典型应用。

例如：

std::unique_ptr<int> p(new int(10));

当：

p

离开作用域时，不需要手动：

delete

它的析构函数会自动释放：

new int(10)

得到的内存。

所以：

unique_ptr

最核心的特点就是：

独占所有权

也就是说：

一块资源
   ↓
只能有一个unique_ptr负责管理

不能同时存在：

p1管理资源A
p2也管理资源A

否则两个对象析构时都执行：

delete

就会造成重复释放。

所以我们手写 unique_ptr 时，第一个核心目标就是：

保证一块资源只能由一个对象管理。

二、先设计一个最简单的MyUniquePtr

先实现最基础版本：

template <typename T>
class MyUniquePtr {
private:
    T *ptr_;

public:
    explicit MyUniquePtr(T *ptr = nullptr) : ptr_(ptr) {}

    ~MyUniquePtr() {
        delete ptr_;
    }
};

这里：

T *ptr_;

保存真正需要管理的对象地址。

例如：

MyUniquePtr<int> p(new int(10));

实际关系：

p
│
└── ptr_
      ↓
     10

当：

p

离开作用域时：

~MyUniquePtr()

自动执行：

delete ptr_;

所以：

{
    MyUniquePtr<int> p(new int(10));
}

运行流程就是：

new int(10)
    ↓
ptr_保存地址
    ↓
使用资源
    ↓
p离开作用域
    ↓
调用析构函数
    ↓
delete ptr_

这样就不需要用户手动：

delete

了。

这里构造函数加：

explicit

主要是防止一些不必要的隐式类型转换。

例如：

MyUniquePtr<int> p = new int(10);

我们更希望明确写成：

MyUniquePtr<int> p(new int(10));

让代码含义更加清楚。

三、为什么unique_ptr不能拷贝

假设允许下面这种代码：

MyUniquePtr<int> p1(new int(10));
MyUniquePtr<int> p2 = p1;

如果使用编译器默认生成的拷贝构造，那么本质上只是：

复制指针地址

于是：

p1.ptr_
   ↓
   10
   ↑
p2.ptr_

两个智能指针同时指向：

同一块内存

当 p1 析构：

delete ptr_;

资源被释放一次。

接着 p2 析构：

delete ptr_;

同一块内存又被释放一次。

于是产生：

double free
重复释放

所以 unique_ptr 必须禁止拷贝。

可以直接写：

MyUniquePtr(const MyUniquePtr &) = delete;

拷贝赋值同样禁止：

MyUniquePtr &operator=(const MyUniquePtr &) = delete;

这样：

MyUniquePtr<int> p1(new int(10));
MyUniquePtr<int> p2 = p1;

编译器会直接报错。

这也是：

unique

这个名字的真正含义：

只有一个所有者

所以手写 unique_ptr 时一定要记住：

MyUniquePtr(const MyUniquePtr &) = delete;
MyUniquePtr &operator=(const MyUniquePtr &) = delete;

这两句非常关键。

四、不能拷贝，那怎么转移所有权

不能拷贝，并不代表：

资源永远不能交给别人

例如：

MyUniquePtr<int> p1(new int(10));

现在希望让：

p2

接管这块资源。

正确思路不是：

复制所有权

而是：

转移所有权

这就是：

移动语义

移动构造可以写成：

MyUniquePtr(MyUniquePtr &&other) noexcept : ptr_(other.ptr_) {
    other.ptr_ = nullptr;
}

例如：

MyUniquePtr<int> p1(new int(10));
MyUniquePtr<int> p2(std::move(p1));

移动之前：

p1
 ↓
10

p2
 ↓
nullptr

执行：

ptr_ = other.ptr_;

以后：

p1
 ↓
10

p2
 ↓
10

但这样还是两个指针指向同一块内存。

所以必须继续：

other.ptr_ = nullptr;

最终：

p1
 ↓
nullptr

p2
 ↓
10

这样才是真正的：

所有权转移

也就是：

资源没复制
只是管理者换了

移动赋值同样需要处理。

可以写成：

MyUniquePtr &operator=(MyUniquePtr &&other) noexcept {
    if (this != &other) {
        delete ptr_;

        ptr_ = other.ptr_;
        other.ptr_ = nullptr;
    }

    return *this;
}

为什么移动赋值一开始要：

delete ptr_;

因为当前对象：

this

可能已经管理了一块资源。

例如：

MyUniquePtr<int> p1(new int(10));
MyUniquePtr<int> p2(new int(20));

现在：

p2 = std::move(p1);

原来：

p1 → 10
p2 → 20

如果直接：

p2.ptr_ = p1.ptr_;

那么原来：

20

这块内存地址就丢失了，造成：

内存泄漏

所以必须先：

delete ptr_;

释放原来管理的资源。

最终：

p1 → nullptr
p2 → 10

所以移动赋值完整流程是：

释放自己原来的资源
      ↓
接管other的资源
      ↓
other置空

五、operator*和operator->为什么必须实现

智能指针之所以叫：

智能"指针"

是因为使用起来应该尽量像普通指针。

例如普通指针：

int *p = new int(10);

读取值：

std::cout << *p << std::endl;

如果是类对象：

Student *p = new Student;

调用成员函数：

p->show();

所以我们希望：

MyUniquePtr<int> p(new int(10));

也能这样使用：

std::cout << *p << std::endl;

于是需要重载：

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

这里返回：

T &

因为：

*ptr_

得到的就是：

ptr_指向的那个对象本身

例如：

MyUniquePtr<int> p(new int(10));

调用：

*p

实际上编译器会理解成：

p.operator*()

然后：

return *ptr_;

得到：

10

还可以：

*p = 20;

所以这里返回的是：

T &

引用，而不是简单返回一个副本。

---

如果管理的是对象：

class Student {
public:
    void show() {
        std::cout << "hello" << std::endl;
    }
};

创建：

MyUniquePtr<Student> p(new Student);

希望可以：

p->show();

那么需要：

T *operator->() {
    return ptr_;
}

为什么返回：

T *

因为：

->

后面还需要继续访问：

T对象的成员

例如：

p->show();

本质上会经过：

p.operator->()

返回：

Student *

然后再调用：

Student * -> show()

所以：

operator*()

让智能指针支持：

*p

而：

operator->()

让智能指针支持：

p->member

它们并不是：

把对象变成指针

而是让：

MyUniquePtr这个类对象

表现得像：

普通指针

完整版本可以写成：

#include <iostream>
#include <utility>

template <typename T>
class MyUniquePtr {
private:
    T *ptr_;

public:
    explicit MyUniquePtr(T *ptr = nullptr) : ptr_(ptr) {}

    ~MyUniquePtr() {
        delete ptr_;
    }

    // 禁止拷贝构造
    MyUniquePtr(const MyUniquePtr &) = delete;

    // 禁止拷贝赋值
    MyUniquePtr &operator=(const MyUniquePtr &) = delete;

    // 移动构造
    MyUniquePtr(MyUniquePtr &&other) noexcept : ptr_(other.ptr_) {
        other.ptr_ = nullptr;
    }

    // 移动赋值
    MyUniquePtr &operator=(MyUniquePtr &&other) noexcept {
        if (this != &other) {
            delete ptr_;
            ptr_ = other.ptr_;
            other.ptr_ = nullptr;
        }

        return *this;
    }

    // 支持 *p
    T &operator*() {
        return *ptr_;
    }

    // 支持 p->member
    T *operator->() {
        return ptr_;
    }

    // 获取原始指针
    T *get() const {
        return ptr_;
    }
};

class Student {
public:
    void show() {
        std::cout << "Student::show()" << std::endl;
    }
};

int main() {
    MyUniquePtr<int> p1(new int(10));

    std::cout << *p1 << std::endl;

    // 转移所有权
    MyUniquePtr<int> p2(std::move(p1));

    std::cout << *p2 << std::endl;

    MyUniquePtr<Student> student(new Student);

    student->show();

    return 0;
}

整个流程可以总结成：

new T
  ↓
MyUniquePtr保存地址
  ↓
只能有一个所有者
  ↓
禁止拷贝
  ↓
允许move转移所有权
  ↓
operator* / operator->
让它像普通指针一样使用
  ↓
对象析构
  ↓
自动delete

如果从面试角度总结 unique_ptr，可以这样回答：

unique_ptr 表示独占所有权，同一块资源同一时间只能由一个 unique_ptr 管理。因此它禁止拷贝构造和拷贝赋值，但支持移动构造和移动赋值，通过移动语义转移资源所有权。内部本质上保存一个裸指针，在析构时自动 delete，实现 RAII。同时通过重载 operator* 和 operator->，让智能指针可以像普通指针一样访问对象。

面试官还可能继续追问几个问题。

第一，为什么移动以后必须：

other.ptr_ = nullptr;

因为如果不置空，两个智能指针仍然会管理同一块内存，析构时产生重复释放。

第二，为什么移动函数通常写：

noexcept

因为移动操作本质上只是：

交换或者转移指针

通常不会抛出异常。

而且标准容器在扩容时，如果移动构造是 noexcept，通常更愿意使用移动而不是拷贝。

第三，unique_ptr 和裸指针最大的区别是什么？

裸指针：

只保存地址
资源释放需要自己负责

unique_ptr：

保存地址
+
拥有资源所有权
+
析构自动释放

第四，为什么不能写：

MyUniquePtr<int> p2 = p1;

因为这会复制指针地址，让两个对象同时拥有同一块资源，不符合独占所有权。

而应该写：

MyUniquePtr<int> p2 = std::move(p1);

表示：

把p1的所有权交给p2

理解了 unique_ptr 以后，后面再学习 shared_ptr 就很自然了。

因为 unique_ptr 的规则是：

一个资源
只能有一个所有者

但实际开发中有时候会出现：

多个对象
都需要共同使用同一块资源

这时候就不能再简单使用独占所有权，而需要：

共享所有权
+
引用计数

这就是下一篇要继续手写的：

shared_ptr

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