C++中智能指针有哪些类型 unique_ptr shared_ptr weak_ptr详解

c++++中的智能指针主要有三种：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，它们用于自动管理内存，避免手动new/delete带来的问题。1. unique_ptr独占资源所有权，不支持复制但支持移动，适用于单一所有者场景；2. shared_ptr允许多个指针共享资源，通过引用计数自动释放内存，适用于多所有者场景，但需注意循环引用；3. weak_ptr为shared_ptr的弱引用，不增加引用计数，用于打破循环引用或观察资源状态。选择智能指针应根据所有权模型：独占用unique_ptr，共享用shared_ptr，非拥有访问用weak_ptr。使用智能指针可提高安全性，虽有轻微性能开销但现代编译器已优化，推荐优先使用。

智能指针，说白了，就是为了更好地管理C++中的内存，避免手动new和delete带来的麻烦。它们本质上是RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则的体现，确保资源在对象生命周期结束时自动释放。C++标准库提供了几种智能指针，各有用途，选对了能省不少心。

解决方案

C++中的智能指针主要有三种：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。它们都在头文件中定义。

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• unique_ptr：独占所有权

  

  unique_ptr代表独占所有权的指针。这意味着一个资源只能被一个unique_ptr拥有。当unique_ptr被销毁时，它所指向的资源也会被自动释放。

  • 特点：

    • 轻量级，几乎没有额外的开销。
    • 不支持复制，但支持移动（move）。
    • 适用于明确知道资源只能被一个对象拥有的场景。

  • 使用示例：

  #include 
  #include 
  
  int main() {
      std::unique_ptr ptr(new int(10)); // 创建一个unique_ptr
      std::cout << *ptr << std::endl; // 访问ptr指向的值
  
      // std::unique_ptr ptr2 = ptr; // 错误：unique_ptr不能复制
      std::unique_ptr ptr2 = std::move(ptr); // 正确：使用move转移所有权
      if (ptr) {
          std::cout << *ptr << std::endl; // 不会执行，因为ptr已经为空
      }
      std::cout << *ptr2 << std::endl; // 访问ptr2指向的值
  
      return 0; // ptr2销毁时，会自动释放new int(10)分配的内存
  }

  • 注意事项：
    • unique_ptr通常用于工厂模式，确保创建的对象最终会被销毁。
    • 可以使用std::make_unique（C++14及以上）来创建unique_ptr，避免手动new带来的异常安全问题。

      auto ptr = std::make_unique(20); // 更安全，推荐使用

• shared_ptr：共享所有权

  shared_ptr允许多个指针共享同一个资源的所有权。它使用引用计数来跟踪有多少个shared_ptr指向同一个资源。当最后一个shared_ptr被销毁时，资源才会被释放。

  

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  • 特点：

    • 可以复制和赋值。
    • 适用于多个对象需要共享资源所有权的场景。
    • 存在循环引用的风险，可能导致内存泄漏。

  • 使用示例：

  #include 
  #include 
  
  int main() {
      std::shared_ptr ptr1 = std::make_shared(30); // 创建一个shared_ptr
      std::shared_ptr ptr2 = ptr1; // ptr2和ptr1共享同一个资源
      std::cout << "ptr1 count: " << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出：2
      std::cout << "ptr2 count: " << ptr2.use_count() << std::endl; // 输出：2
  
      ptr1.reset(); // ptr1不再指向该资源
      std::cout << "ptr1 count: " << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出：0
      std::cout << "ptr2 count: " << ptr2.use_count() << std::endl; // 输出：1
  
      return 0; // ptr2销毁时，引用计数变为0，释放资源
  }

  • 注意事项：
    • 尽量使用std::make_shared创建shared_ptr，可以提高效率并避免一些异常安全问题。
    • 避免循环引用，可以使用weak_ptr打破循环。

• weak_ptr：弱引用

  weak_ptr是对shared_ptr所管理对象的弱引用。它不增加引用计数，因此不能单独拥有资源的所有权。weak_ptr主要用于解决shared_ptr的循环引用问题。

  • 特点：

    • 不增加引用计数。
    • 不能直接访问资源，需要先调用lock()方法获取一个shared_ptr。
    • 如果资源已经被释放，lock()方法会返回一个空的shared_ptr。

  • 使用示例：

  #include 
  #include 
  
  class B; // 前向声明
  
  class A {
  public:
      std::shared_ptr b_ptr;
      ~A() { std::cout << "A destroyed" << std::endl; }
  };
  
  class B {
  public:
      std::weak_ptr a_ptr; // 使用weak_ptr打破循环引用
      ~B() { std::cout << "B destroyed" << std::endl; }
  };
  
  int main() {
      std::shared_ptr a = std::make_shared();
      std::shared_ptr b = std::make_shared();
  
      a->b_ptr = b;
      b->a_ptr = a;
  
      // 如果使用shared_ptr，A和B的析构函数不会被调用，造成内存泄漏
      // 使用weak_ptr后，A和B的析构函数会被正常调用
  
      return 0;
  }

  • 注意事项：
    • weak_ptr通常用于观察者模式、缓存等场景。
    • 在使用weak_ptr之前，需要检查其指向的资源是否仍然有效。