C++ 智能指针详解

智能指针是 C++11 引入的内存管理工具，位于 <memory> 头文件中，用于自动管理动态分配的内存，防止内存泄漏。主要类型如下：

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1. std::unique_ptr (独占所有权)

• 特点：唯一拥有所指对象，不可复制（可移动）
• 适用场景：独占资源所有权
• 内存开销：几乎为零（仅包装原始指针）

#include <memory>void unique_ptr_example() {// 创建 unique_ptr (C++14 推荐 make_unique)auto ptr = std::make_unique<int>(42);// 访问对象*ptr = 100;std::cout << *ptr;  // 输出 100// 移动所有权auto ptr2 = std::move(ptr);  // ptr 变为 nullptr// 自定义删除器（处理特殊资源）auto file_deleter = [](FILE* f) { if(f) fclose(f); };std::unique_ptr<FILE, decltype(file_deleter)> file_ptr(fopen("test.txt", "r"), file_deleter);// 离开作用域自动释放内存
}

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2. std::shared_ptr (共享所有权)

• 特点：多个指针共享对象，使用引用计数
• 适用场景：需要共享所有权的资源
• 内存开销：控制块（引用计数 + 弱计数）

void shared_ptr_example() {// 创建 shared_ptr (推荐 make_shared)auto ptr1 = std::make_shared<std::string>("Hello");// 共享所有权auto ptr2 = ptr1;  // 引用计数 +1// 查看引用计数std::cout << ptr1.use_count();  // 输出 2// 自定义删除器auto arr_deleter = [](int* p) { delete[] p; };std::shared_ptr<int> arr_ptr(new int[10], arr_deleter);// 离开作用域时自动减少引用计数// 引用计数为0时释放内存
}

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3. std::weak_ptr (弱引用)

• 特点：不增加引用计数，解决循环引用问题
• 适用场景：打破 shared_ptr 循环引用
• 用法：需转换为 shared_ptr 访问对象

struct Node {std::shared_ptr<Node> next;std::weak_ptr<Node> prev;  // 使用 weak_ptr 避免循环引用
};void weak_ptr_example() {auto node1 = std::make_shared<Node>();auto node2 = std::make_shared<Node>();node1->next = node2;node2->prev = node1;  // 不会增加引用计数// 访问 weak_ptr 指向的对象if(auto locked = node2->prev.lock()) {// 成功转换为 shared_ptr} else {// 对象已被释放}
}

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4. 智能指针对比表

特性	unique_ptr	shared_ptr	weak_ptr
所有权	独占	共享	无（观察者）
是否影响引用计数	否	是	否
复制语义	禁用（仅移动）	允许	允许
内存开销	几乎为零	控制块（约16-32字节）	控制块指针
典型应用场景	工厂模式返回值	共享数据	打破循环引用
线程安全	对象访问需同步	引用计数原子操作	同 shared_ptr

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5. 最佳实践与注意事项

1. 优先使用 make_unique/make_shared：

   // 更安全高效（单次内存分配）
   auto ptr = std::make_shared<MyClass>(arg1, arg2);
   

2. 避免循环引用：

   • 父对象用 shared_ptr 持有子对象
   • 子对象用 weak_ptr 引用父对象

3. 不要混用原始指针：

   // 危险操作！
   MyClass* raw = new MyClass();
   std::shared_ptr<MyClass> p1(raw);
   std::shared_ptr<MyClass> p2(raw);  // 会导致双重释放
   

4. 接口设计原则：

   • 函数接收原始指针：不获取所有权
   • 函数接收 unique_ptr：获取所有权
   • 函数返回 unique_ptr：转移所有权

5. 特殊资源管理：

   // 管理数组 (C++17+)
   auto arr = std::make_unique<int[]>(10);// 管理自定义资源
   auto custom_deleter = [](Resource* r) { cleanup(r); };
   std::unique_ptr<Resource, decltype(custom_deleter)> res(new Resource, custom_deleter);
   

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6. 性能考虑

• unique_ptr：几乎无开销，等同于原始指针
• shared_ptr：
  • 控制块分配开销（使用 make_shared 可优化）
  • 原子操作引用计数（约比非原子操作慢10倍）
• 高频访问场景：考虑 unique_ptr + 移动语义

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7. C++17/20 增强

1. 数组支持：

   // C++17 特有
   auto arr = std::make_unique<int[]>(5);
   arr[0] = 10;
   

2. std::allocate_shared：

   // 自定义分配器
   CustomAllocator alloc;
   auto ptr = std::allocate_shared<MyClass>(alloc, args...);
   

3. std::weak_from_this：

   class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
   public:std::weak_ptr<MyClass> weak_ref() {return weak_from_this();  // C++17}
   };
   

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8. 常见错误

// 错误1：返回局部对象的智能指针
std::shared_ptr<int> create() {int value = 42;return std::make_shared<int>(value);  // 正确// return &value;  // 灾难！
}// 错误2：循环引用
struct A {std::shared_ptr<B> b;  // 应使用 weak_ptr
};
struct B {std::shared_ptr<A> a;  // 应使用 weak_ptr
};// 错误3：误用 get() 管理生命周期
void process(int* raw) { /*...*/ }auto ptr = std::make_unique<int>(10);
process(ptr.get());  // 安全
delete ptr.get();    // 灾难！

智能指针是现代 C++ 内存管理的核心工具，正确使用可消除 90% 以上的内存管理问题。