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C++11智能智能指针解析

news 2025/5/16 16:36:15

C++11 引入了 智能指针来解决手动管理动态内存的复杂性。它们能够自动管理堆内存，并在不再需要时自动释放，避免内存泄漏和悬空指针问题。C++11 提供了三种主要的智能指针类型：std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。

1. `std::unique_ptr`：独占所有权

std::unique_ptr 是一种 独占所有权 的智能指针，它保证同一时间只能有一个智能指针拥有对象的所有权。这意味着对象只能被一个 unique_ptr 所管理，不能被多个指针共享。使用 std::unique_ptr 的场景通常是当一个对象的生命周期只需要在单个作用域内管理时。

特点：

独占所有权：不能复制，只能移动。
生命周期：当 unique_ptr 离开其作用域时，会自动销毁并释放所管理的对象。
轻量、高效：由于不涉及引用计数，unique_ptr 的效率通常比 shared_ptr 更高。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>struct MyClass {MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};int main() {std::unique_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_unique<MyClass>(); // 自动管理动态分配的 MyClass// std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1; // 错误，不能复制 unique_ptrstd::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1); // 正确，通过移动所有权// ptr1 现在为空
}

重要操作：

创建智能指针：使用 std::make_unique<T>() 动态分配内存并返回 std::unique_ptr<T>，避免手动使用 new。
移动所有权：使用 std::move 进行所有权转移，不能复制。

2. `std::shared_ptr`：共享所有权

std::shared_ptr 实现了 共享所有权，即可以有多个智能指针共同拥有同一个对象。对象的生命周期会被多个 shared_ptr 共享，只有当最后一个 shared_ptr 被销毁时，托管的对象才会被释放。

特点：

共享所有权：多个 shared_ptr 可以指向同一个对象。
引用计数：shared_ptr 维护一个引用计数器，当指向对象的所有 shared_ptr 被销毁时，引用计数器变为 0，对象会自动释放。
适用场景：多个对象需要共享同一个资源时，例如在复杂的资源共享或对象关系管理中使用。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>struct MyClass {MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};int main() {std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>();{std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1; // 引用计数增加std::cout << "Reference count: " << ptr1.use_count() << "\n"; // 输出 2}// 离开作用域，ptr2 被销毁，引用计数减少为 1std::cout << "Reference count: " << ptr1.use_count() << "\n"; // 输出 1
}

重要操作：

创建智能指针：使用 std::make_shared<T>() 创建共享指针，比手动分配内存效率更高。
引用计数：使用 use_count() 查看当前引用计数。

注意事项：

循环引用问题：如果两个或多个 shared_ptr 对象形成循环引用（即 A 指向 B，B 又指向 A），那么即使引用计数变为 0，内存也不会被释放，导致内存泄漏。为了解决这个问题，引入了 std::weak_ptr。

3. `std::weak_ptr`：弱引用

std::weak_ptr 是为了防止 std::shared_ptr 之间的 循环引用问题 而设计的。weak_ptr 并不影响引用计数，不拥有对象的所有权。它只是一个观察者，可以访问由 shared_ptr 管理的对象。如果 shared_ptr 管理的对象已经被释放，那么 weak_ptr 变为无效。

特点：

不增加引用计数：weak_ptr 只是持有对象的引用，不会影响 shared_ptr 的引用计数。
生命周期观察：使用 weak_ptr 观察对象的生命周期，可以通过 lock() 函数将 weak_ptr 转换为 shared_ptr，安全地访问对象。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>struct MyClass {MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};int main() {std::shared_ptr<MyClass> sptr = std::make_shared<MyClass>();std::weak_ptr<MyClass> wptr = sptr; // weak_ptr 引用 sptr，但不增加引用计数std::cout << "Reference count: " << sptr.use_count() << "\n"; // 输出 1if (auto shared = wptr.lock()) {std::cout << "Object is still alive\n";} else {std::cout << "Object has been destroyed\n";}sptr.reset(); // 释放 shared_ptr 管理的对象if (auto shared = wptr.lock()) {std::cout << "Object is still alive\n";} else {std::cout << "Object has been destroyed\n";}
}

`shared_ptr` 内部维护的关键成员变量：

1. 指向对象的原始指针（Managed Object Pointer）

这是指向实际动态分配对象的原始指针。它是 shared_ptr 管理的对象，shared_ptr 使用这个指针来访问对象。
例如：T* ptr，它指向动态分配的对象（例如通过 make_shared 或 new 分配的对象）。

2. 控制块（Control Block）

控制块 是 shared_ptr 背后维护的一个数据结构，包含了引用计数、弱引用计数以及其他额外的信息。控制块并不与所管理的对象共享地址，它是 shared_ptr 机制中的核心，包含多个关键数据：

- 引用计数（Reference Counter）：

- - 一个用于记录有多少个 shared_ptr 实例同时引用该对象的计数器，称为共享引用计数。当创建一个新的 shared_ptr 实例指向相同对象时，该计数器递增；当 shared_ptr 被销毁或重置时，该计数器递减。
  - 当引用计数降为 0 时，托管的对象会被销毁。

- 弱引用计数（Weak Reference Counter）：

- - 另一个计数器，记录有多少个 weak_ptr 实例引用该对象。weak_ptr 不会影响共享引用计数，但会影响控制块的生命周期。
  - 当共享引用计数和弱引用计数都降为 0 时，控制块本身也会被销毁。

- 自定义删除器（Custom Deleter）：

- - shared_ptr 可以绑定一个自定义删除器，用于控制对象的销毁方式。如果你不指定删除器，shared_ptr 会使用默认的 delete 运算符释放对象。
  - 删除器保存在控制块中，当最后一个 shared_ptr 离开作用域时，它会调用这个删除器来销毁对象。

3. 弱引用管理（Weak Pointer Management）

shared_ptr 与 weak_ptr 的结合使用涉及到对控制块中弱引用计数的维护。weak_ptr 不会增加对对象的共享引用计数，但会使控制块的弱引用计数增加。这样，即使没有任何 shared_ptr 实例指向对象，控制块依然存在，直到所有 weak_ptr 也被销毁。

具体控制块结构的解释

可以将控制块理解为包含以下信息的结构体（这是一个概念上的简化）：

struct ControlBlock {int shared_count;   // 共享引用计数int weak_count;     // 弱引用计数void(*deleter)(T*); // 自定义删除器函数指针
};

每次创建 shared_ptr 时，shared_count 会增加，而 weak_count 仅在创建 weak_ptr 时增加。

控制块与对象的关系

独立于对象的存储：控制块是一个独立的数据结构，和对象的内存分配是分开的。当使用 make_shared 时，对象和控制块可能会被分配到同一块内存区域中，但它们的作用是不同的。
生命周期管理：当 shared_count 变为 0 时，shared_ptr 管理的对象会被销毁；当 weak_count 也为 0 时，控制块才会被销毁。

`shared_ptr` 循环引用的例子：

#include <iostream>
#include <memory>struct B;struct A {std::shared_ptr<B> ptrB;  // A持有B的shared_ptr~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};struct B {std::shared_ptr<A> ptrA;  // B持有A的shared_ptr~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};int main() {std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();a->ptrB = b;  // A拥有Bb->ptrA = a;  // B拥有A// 循环引用导致A和B永远不会被销毁return 0;
}

在这个例子中：

A 持有一个指向 B 的 shared_ptr，而 B 也持有一个指向 A 的 shared_ptr。
由于 shared_ptr 会增加引用计数，a 和 b 的引用计数永远无法减为 0，导致它们的析构函数不会被调用，从而造成内存泄漏。

解决循环引用：使用 `std::weak_ptr`

要解决循环引用问题，可以将其中一个 shared_ptr 替换为 std::weak_ptr。weak_ptr 不会影响引用计数，因此可以打破循环引用。

解决后的代码：

#include <iostream>
#include <memory>struct B;struct A {std::shared_ptr<B> ptrB;  // A持有B的shared_ptr~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};struct B {std::weak_ptr<A> ptrA;    // B持有A的weak_ptr，打破循环引用~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};int main() {std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();a->ptrB = b;  // A拥有Bb->ptrA = a;  // B弱引用A，不增加引用计数// 正常销毁A和B，输出"A destroyed"和"B destroyed"return 0;
}