智能指针内存布局怎样 unique_ptr与shared_ptr结构对比

unique_ptr的内存布局简单，仅含一个指针（8字节），无共享所有权，无引用计数，性能接近裸指针；shared_ptr包含两个指针（16字节），指向对象和控制块，控制块存储强弱引用计数、删除器等，需动态分配，有原子操作开销；make_shared可将对象与控制块连续分配，减少内存碎片并提升性能，但生命周期被绑定；因此unique_ptr更轻量高效，shared_ptr适用于共享所有权场景，理解其结构差异有助于优化c++++程序的性能与资源管理。

智能指针的内存布局和内部结构设计直接关系到它们的性能和使用场景。

unique_ptr

shared_ptr

1.

unique_ptr

的内存布局：轻量、无开销

unique_ptr

• 本质是一个包装了指针的类模板
• 默认情况下，它只包含一个成员：原始指针（

  T*

  ）
• 如果使用自定义删除器（deleter），且该删除器有状态（比如捕获了变量的 lambda），则删除器也会被存储为成员
• 删除器类型在编译期确定，通常作为模板参数，通过空基类优化（EBO）实现零开销存储

template>
class unique_ptr {
    T* ptr;            // 占 8 字节（64位系统）
    Deleter del;       // 若 deletter 无状态，不占空间（EBO）
};

特点：

• 大小通常等于一个指针（8 字节）
• 不涉及引用计数
• 所有权独占，不可复制，只能移动
• 移动操作是廉价的指针转移

举例：sizeof(unique_ptr) == 8（常见平台）

2.

shared_ptr

的内存布局：复杂但功能强大

shared_ptr

unique_ptr

每个

shared_ptr

1. 指向管理对象的指针（managed object）
2. 指向控制块（control block）的指针

而控制块中包含：

• 强引用计数（shared count）：记录有多少个

  shared_ptr

  共享该对象
• 弱引用计数（weak count）：记录有多少个

  weak_ptr

  指向该控制块
• 自定义删除器（如果有）
• 分配器（如果有）
• 可能还包括对齐信息等元数据

template
class shared_ptr {
    T* ptr;                    // 指向实际对象
    control_block* cb;         // 指向控制块（包含引用计数等）
};

控制块通常在首次创建

shared_ptr

make_shared

Ideogram

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特点：

• 每个

  shared_ptr

  实例大小是两个指针（16 字节）
• 控制块额外占用内存（通常 16~32 字节，取决于平台和删除器）
• 引用计数操作是原子的，线程安全但有性能开销
• 析构时，当强引用归零，调用删除器销毁对象；当弱引用也归零，释放控制块

举例：

sizeof(shared_ptr) == 16

（64位系统）

3. 关键对比：结构与内存开销

4.

unique_ptr

的优化：减少内存碎片

shared_ptr

make_shared

此时：

• 分配一块连续内存，包含

  make_shared(...)

  和控制块

• auto sp = make_shared(42);

  中的

  int

  和

  shared_ptr

  指向同一块内存的不同偏移
• 减少堆分配次数，提高性能

但注意：对象和控制块的生命周期被绑定，即使引用计数归零，只要还有

ptr

小结

• cb

  是“裸指针的替代品”，内存布局极简，几乎没有额外开销

• weak_ptr

  是“带引用计数的智能指针”，需要额外存储控制块，带来内存和性能成本
• 优先使用

  unique_ptr

  ，仅在需要共享所有权时才用

  shared_ptr

• 使用

  unique_ptr

  可优化

  shared_ptr

  的内存布局和性能

基本上就这些，理解它们的结构差异有助于写出更高效、更安全的 C++ 代码。

make_shared

shared_ptr