C++ 中的智能指针 | 糖醋鱼的小破站

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2023/04/18/ptr-in-c++

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C++ 中的智能指针，具体的实现原理，同时使用它的优点，以及使用它的场景，有哪些场景不适合使用它

什么是智能指针

智能指针是一种抽象的数据类型，它通常是经由类模板来实现，借由模板来达成泛型，借由类别的析构函数来达成自动释放指针所指向的存储器或对象。C++11 标准库提供了三种智能指针，分别是 std::shared_ptr，std::weak_ptr 和 std::unique_ptr ¹。

智能指针的优点在于可以避免忘记delete内存，避免内存泄露，同时可以大大减轻程序员在管理动态内存时的工作负担。尤其是当对象的析构时机比较难把握时（比如我们将对象指针作为函数返回值时）。有了智能指针，我们就只需要关注内存的申请，内存的释放则由程序自动完成 ¹。

不过，在某些场景下使用智能指针可能不太适合。例如，在高性能计算中，智能指针可能会带来一些额外的开销。此外，在某些情况下，使用智能指针也可能会导致循环引用问题。

1 shared_ptr

shared_ptr 是一种智能指针，它可以实现多个 shared_ptr 对象共享同一块内存。它的内部实现采用了引用计数机制，即每当有一个新的 shared_ptr 对象指向同一块内存时，该内存的引用计数会加 1 ；当一个 shared_ptr 对象被销毁时，它所指向的内存的引用计数会减 1 。当引用计数变为 0 时，即表明不再有其他 shared_ptr 对象与此内存关联，在这种情况下，该内存会被释放 ¹。

使用 shared_ptr 可以避免忘记释放内存而导致的内存泄漏问题。此外，由于 shared_ptr 内部采用了引用计数机制，即使有一个 shared_ptr 指针放弃了堆内存的“使用权”（引用计数减 1），也不会影响其他指向同一堆内存的 shared_ptr 指针（只有引用计数为 0 时，堆内存才会被自动释放） ¹。

如何创建 shared_ptr

你可以通过多种方式创建 shared_ptr 对象。例如：

使用 std::make_shared 函数来创建 shared_ptr 对象：


auto sp = std::make_shared<int>(42);

直接使用 new 运算符来创建 shared_ptr 对象：


std::shared_ptr<int> sp(new int(42));

通过拷贝构造函数或赋值运算符来创建 shared_ptr 对象：


auto sp1 = std::make_shared<int>(42);
auto sp2 = sp1; // 拷贝构造
auto sp3 = std::shared_ptr<int>();
sp3 = sp1; // 赋值

如何使用 shared_ptr

你可以像使用普通指针一样使用 shared_ptr。例如，你可以通过解引用运算符 * 来访问 shared_ptr 所指向的对象：


auto sp = std::make_shared<int>(42);
std::cout << *sp << std::endl; // 输出 42

你也可以通过 -> 运算符来访问 shared_ptr 所指向对象的成员：


struct Foo {
    int x;
    int y;
};

auto sp = std::make_shared<Foo>();
sp->x = 10;
sp->y = 20;

此外，shared_ptr 还提供了一些成员函数，例如 get() 函数可以返回 shared_ptr 所管理的原始指针，reset() 函数可以重置 shared_ptr 对象，而 use_count() 函数则可以返回当前 shared_ptr 对象的引用计数。

什么是循环引用问题？

循环引用问题是指两个或多个 shared_ptr 对象相互引用，导致它们的引用计数永远不会变为0，从而导致内存泄漏。例如：


struct Foo {
    std::shared_ptr<Foo> other;
};

auto sp1 = std::make_shared<Foo>();
auto sp2 = std::make_shared<Foo>();
sp1->other = sp2;
sp2->other = sp1;

在上面的例子中，sp1 和 sp2 两个 shared_ptr 对象相互引用，因此它们的引用计数都不会变为 0，即使它们超出了作用域。这就导致了内存泄漏。

如何避免循环引用问题？

你可以使用 std::weak_ptr 来避免循环引用问题。weak_ptr 是一种弱引用，它不会增加 shared_ptr 的引用计数。当 shared_ptr 的引用计数变为0时，即使还有 weak_ptr 指向同一块内存，该内存也会被释放。

例如，我们可以修改前面的例子，使用 weak_ptr 来避免循环引用问题：


struct Foo {
    std::weak_ptr<Foo> other;
};

auto sp1 = std::make_shared<Foo>();
auto sp2 = std::make_shared<Foo>();
sp1->other = sp2;
sp2->other = sp1;

在上面的例子中，我们使用了 weak_ptr 来避免循环引用问题。当 sp1 和 sp2 超出作用域时，它们所指向的内存会被正确释放。

如何使用 weak_ptr

你可以使用 std::weak_ptr 的构造函数或者 std::weak_ptr::lock() 函数来创建一个指向同一块内存的 shared_ptr 对象。例如：


auto sp = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wp(sp);
auto sp2 = wp.lock();

在上面的例子中，我们首先创建了一个 shared_ptr 对象 sp，然后使用它来初始化一个 weak_ptr 对象 wp。接着，我们调用了 wp.lock() 函数来创建一个新的 shared_ptr 对象 sp2，它指向同一块内存。

注意，如果原始的 shared_ptr 对象已经被销毁，那么调用 wp.lock() 函数将返回一个空的 shared_ptr 对象。

详细介绍一下 unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占式智能指针，它保证同一时间只有一个 unique_ptr 对象可以指向同一块内存。当 unique_ptr 对象被销毁时，它所指向的内存也会被释放。

你可以使用 std::unique_ptr 的构造函数或者 std::make_unique 函数（C++14 起可用）来创建 unique_ptr 对象。例如：


auto up1 = std::unique_ptr<int>(new int(42));
auto up2 = std::make_unique<int>(42); // C++14 起可用

在上面的例子中，我们分别使用了 std::unique_ptr 的构造函数和 std::make_unique 函数来创建两个 unique_ptr 对象。

注意，由于 unique_ptr 是独占式的，因此它不支持拷贝构造和拷贝赋值。但是你可以使用移动构造和移动赋值来转移 unique_ptr 的所有权：


auto up1 = std::make_unique<int>(42);
auto up2 = std::move(up1); // 移动构造
up1 = std::move(up2); // 移动赋值

在上面的例子中，我们首先使用移动构造函数来创建一个新的 unique_ptr 对象 up2，它接管了 up1 所指向的内存。然后我们又使用移动赋值运算符将 up2 的所有权转移回给了 up1。

如何使用 unique_ptr

你可以像使用普通指针一样使用 unique_ptr。例如，你可以通过解引用运算符 * 来访问 unique_ptr 所指向的对象：


auto up = std::make_unique<int>(42);
std::cout << *up << std::endl; // 输出 42

你也可以通过 -> 运算符来访问 unique_ptr 所指向对象的成员：


struct Foo {
    int x;
    int y;
};

auto up = std::make_unique<Foo>();
up->x = 10;
up->y = 20;

此外，unique_ptr 还提供了一些成员函数，例如 get() 函数可以返回 unique_ptr 所管理的原始指针，而 reset() 函数则可以重置 unique_ptr 对象。

参考资料

源: 与必应的对话， 2023/4/18 (1) C++11 shared_ptr智能指针（超级详细） - C语言中文网. http://c.biancheng.net/view/7898.html. (2) C++:共享指针shared_ptr的理解与应用 - 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/547647844. (3) C++智能指针：shared_ptr用法详解_Tonson_的博客-CSDN博客. https://blog.csdn.net/weixin_44444450/article/details/111075086. (1) 智能指针的C++实现 - 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/64543967. (2) 第007问：C++智能指针的作用及原理 - 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/563599084. (3) C++智能指针的底层实现原理 - CSDN博客. https://blog.csdn.net/ArtAndLife/article/details/120793343.