C++ - 智能指针

在 C++ 中，智能指针（smart pointer）是一种封装了原始指针的对象，它能够自动管理指针指向的内存资源，避免了手动分配和释放内存的麻烦。智能指针在使用时类似于普通指针，但它在作用域结束时会自动释放指向的内存，从而防止了内存泄漏和其他与指针管理相关的错误。

一、常用的能指针

C++11 引入了几个标准的智能指针类型，最常用的有三个：

1. std::unique_ptr

• 特点：std::unique_ptr 是一个独占所有权的智能指针，表示一个指针的所有权只能归属于一个对象。
• 行为：当 unique_ptr 离开作用域时，它会自动释放所指向的内存。
• 适用场景：当资源只有一个所有者时，适合使用 unique_ptr 来管理它。

示例：

#include <memory>void example() {
    std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(10);  // unique_ptr管理的内存
    std::cout << *ptr << std::endl;  // 使用智能指针
}  // 离开作用域时，ptr 自动释放内存

注意：std::unique_ptr 不支持复制（不可复制），只能移动（通过 std::move）。

2. std::shared_ptr

• 特点：std::shared_ptr 是一个引用计数智能指针，多个 shared_ptr 可以共享对同一对象的所有权。当最后一个 shared_ptr 被销毁时，资源才会被释放。
• 行为：每当有一个新的 shared_ptr 指向同一对象时，引用计数会增加；当 shared_ptr 被销毁时，引用计数会减少，直到计数为 0 时才会释放资源。
• 适用场景：适合资源需要被多个所有者共享的场景。

示例：

#include <memory>void example() {
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10);  // 创建一个 shared_ptr
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;  // 共享所有权
    std::cout << *ptr1 << std::endl;  // 使用智能指针
}  // 当 ptr1 和 ptr2 都被销毁时，内存才会被释放

• 注意：std::shared_ptr 的引用计数会影响内存的释放时机，适用于多个所有者的情况，但也可能带来性能开销（引用计数需要线程安全，可能导致额外的同步开销）。

3. std::weak_ptr

• 特点：std::weak_ptr 是一种不改变引用计数的智能指针。它不会增加或减少对象的引用计数，因此不会阻止对象的销毁。
• 行为：weak_ptr 用来观察对象，而不拥有它。当你想访问对象时，可以通过 lock() 方法将其转换为一个有效的 shared_ptr（如果对象仍然存在的话）。
• 适用场景：常用于解决 shared_ptr 引用计数引起的循环引用问题（例如两个对象相互引用，导致永远不能释放内存）。

示例：

#include <memory>void example() {
    std::shared_ptr<int> shared = std::make_shared<int>(10);
    std::weak_ptr<int> weak = shared;  // weak_ptr 不增加引用计数

    if (auto locked = weak.lock()) {  // 尝试转换为 shared_ptr
        std::cout << *locked << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Object has been deleted" << std::endl;
    }
}  // 当 shared_ptr 被销毁时，weak_ptr 不会阻止资源释放

• 注意：weak_ptr 不直接管理资源的生命周期，它只是提供一种“观察”机制。

二、智能指针的优势

1. 自动内存管理：智能指针会在作用域结束时自动释放资源，避免手动 delete，减少内存泄漏的风险。
2. 防止悬空指针：通过智能指针的生命周期控制，可以避免使用已经释放的指针。
3. 简化代码：智能指针提供了更清晰和安全的内存管理，使得代码更加简洁和易于维护。
4. 避免重复释放资源：在使用 std::shared_ptr 时，多个对象可以共享资源，且会在最后一个引用被销毁时自动释放内存。

三、何时使用智能指针

• std::unique_ptr：当你希望对象有唯一的所有权时，使用 unique_ptr。例如，管理动态分配的资源（如内存、文件句柄等）。
• std::shared_ptr：当资源需要多个所有者时，使用 shared_ptr。例如，多个对象需要共享对某个资源的所有权。
• std::weak_ptr：用来防止循环引用，并观察一个对象的生命周期，而不阻止它的销毁。

总结来说，智能指针提供了更高效、安全、易用的内存管理方法，避免了传统 C++ 编程中的手动内存管理错误。