C++ 中的智能指针（Smart Pointer）

时间：2024-11-14 08:12:23

C++ 中的智能指针（Smart Pointer）是用于管理动态内存分配的工具，它们能够自动管理资源的生命周期，避免内存泄漏。智能指针是 C++11 标准引入的，通过模板类封装原生指针，实现资源的自动释放。主要的智能指针包括 std::shared_ptr 和 std::unique_ptr。

1. std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占所有权的智能指针，表示某个资源只能被一个指针管理。它确保同一资源在程序中只会有一个指针指向，当 std::unique_ptr 被销毁时，资源会被自动释放。

特点
  • 独占所有权：std::unique_ptr 禁止拷贝操作，确保唯一所有权。
  • 自动释放资源：当 std::unique_ptr 超出作用域时，资源自动释放。
  • 移动语义：可以通过 std::move 转移所有权，但不能复制。
常用操作
  • 创建和使用：使用 std::make_unique 创建 std::unique_ptr。
  • 访问资源：通过 operator* 和 operator-> 访问资源。
  • 释放资源：可以使用 reset 手动释放资源。
示例代码
#include <iostream>
#include <memory> // 包含 unique_ptr 所在的头文件

int main() {
    // 创建 unique_ptr 并指向一个动态分配的 int
    std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(10);

    // 访问指针的值
    std::cout << "Value: " << *ptr << std::endl;

    // 不能复制 unique_ptr
    // std::unique_ptr<int> ptr2 = ptr;  // 错误

    // 可以通过移动语义转移所有权
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr);

    if (!ptr) {
        std::cout << "ptr is now nullptr after moving ownership." << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出

Value: 10
ptr is now nullptr after moving ownership.

2. std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种共享所有权的智能指针，允许多个指针共享同一个资源。std::shared_ptr 内部维护一个引用计数，记录有多少个 shared_ptr 指向该资源。当最后一个 shared_ptr 被销毁时，资源会自动释放。

特点
  • 共享所有权：多个 shared_ptr 可以指向同一个资源。
  • 引用计数：每个 shared_ptr 维护资源的引用计数。
  • 自动释放资源：当引用计数为 0 时，资源自动释放。
常用操作
  • 创建和使用：使用 std::make_shared 创建 std::shared_ptr。
  • 访问资源：通过 operator* 和 operator-> 访问资源。
  • 引用计数：通过 use_count 查看当前的引用计数。
示例代码
#include <iostream>
#include <memory> // 包含 shared_ptr 所在的头文件

int main() {
    // 创建 shared_ptr 并指向一个动态分配的 int
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(20);

    // 打印引用计数
    std::cout << "Reference count: " << ptr1.use_count() << std::endl;

    {
        // 创建一个新的 shared_ptr，指向相同资源
        std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;
        std::cout << "Reference count after creating ptr2: " << ptr1.use_count() << std::endl;
    }

    // ptr2 超出作用域，引用计数减少
    std::cout << "Reference count after ptr2 goes out of scope: " << ptr1.use_count() << std::endl;

    return 0;
}

输出：

Reference count: 1
Reference count after creating ptr2: 2
Reference count after ptr2 goes out of scope: 1

3. std::weak_ptr

std::weak_ptr 是一种非拥有型的智能指针，用于解决 shared_ptr 的循环引用问题。它不会增加资源的引用计数，仅持有资源的一个弱引用，无法直接访问资源，需通过 lock 方法获得一个 shared_ptr 来使用。

示例代码
#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(30);
    std::weak_ptr<int> wp = sp; // 使用 weak_ptr 指向同一资源

    std::cout << "Reference count: " << sp.use_count() << std::endl;

    if (auto spt = wp.lock()) { // 通过 lock 创建一个 shared_ptr
        std::cout << "Weak pointer is valid, value: " << *spt << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Weak pointer is expired." << std::endl;
    }

    sp.reset(); // 释放 shared_ptr 所有权

    if (wp.expired()) {
        std::cout << "Weak pointer is now expired." << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：

Reference count: 1
Weak pointer is valid, value: 30
Weak pointer is now expired.

总结

智能指针 特点 使用场景
std::unique_ptr 独占所有权，不允许复制；可以通过 std::move 转移所有权 需要独占管理资源，避免拷贝操作
std::shared_ptr 共享所有权，使用引用计数管理资源的生命周期 多个对象共享资源，需自动释放资源
std::weak_ptr 非拥有型指针，不影响引用计数，用于解决循环引用问题 检查或跟踪资源是否仍然存在

std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 提供了简单、灵活的资源管理方式，有效降低内存泄漏风险。而 std::weak_ptr 主要用于防止 shared_ptr 的循环引用。

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