C++智能指针详解

一、什么是智能指针？

二、为什么需要智能指针？

三、C++ 智能指针的分类与使用

3.1 std::unique_ptr（独占所有权）

适用场景

3.2 std::shared_ptr（共享所有权）

3.3 std::weak_ptr（弱引用）

注意事项：

总结

一、什么是智能指针？

在计算机编程中，特别是使用C++语言时，内存管理一直是一个复杂且容易出错的任务。程序员需要手动分配和释放内存，稍有不慎就可能导致内存泄漏或悬挂指针问题，这些问题不仅会影响程序的性能，还可能引发严重的错误甚至安全漏洞。

为了简化内存管理并减少这些潜在的问题，C++标准库引入了“智能指针”（Smart Pointer）。顾名思义，智能指针是一种封装了原始指针的对象，它能够自动管理指针的生命周期。这意味着程序员不需要手动分配和释放内存，智能指针会自动处理这些任务，确保资源得到合理使用。

C++标准库提供了三种主要的智能指针：

std::unique_ptr：这是“独占型”的智能指针，表示它对所管理的对象拥有唯一的所有权。当unique_ptr超出作用域时，它会自动释放所管理的对象，确保不会出现悬空指针问题。
std::shared_ptr：与unique_ptr不同，shared_ptr是“共享型”的智能指针，允许多个shared_ptr同时指向同一个对象。所有这些指针都会共同承担对对象的管理责任，当最后一个shared_ptr超出作用域时，它会自动释放所管理的对象。
std::weak_ptr：这是“弱引用”类型的智能指针，不会参与对象的生命周期管理。它的主要用途是解决可能存在的循环引用问题，并且在被其管理的对象被其他shared_ptr释放后，它可以安全地变为无效状态而不引发错误。

二、为什么需要智能指针？

在 C++ 中，使用 new 和 delete 进行动态内存管理时，如果没有正确释放内存，就会导致 内存泄漏。此外，指针被释放后仍然访问会导致 悬挂指针，可能引发未定义行为。智能指针的优势包括：

自动管理资源，防止手动 delete 造成的错误。
减少内存泄漏，确保对象在合适的时间被释放。
避免悬挂指针，防止指向已释放内存。
支持引用计数，使多个对象安全共享同一资源。

三、C++ 智能指针的分类与使用

3.1 `std::unique_ptr`（独占所有权）

#include <iostream>
#include <memory>class Test {
public:Test() { std::cout << "Test 构造\n"; }~Test() { std::cout << "Test 析构\n"; }void show() { std::cout << "Test::show()\n"; }
};int main() {std::unique_ptr<Test> ptr1 = std::make_unique<Test>();ptr1->show();// 不能复制 unique_ptr// std::unique_ptr<Test> ptr2 = ptr1; // 编译错误// 但是可以移动std::unique_ptr<Test> ptr2 = std::move(ptr1);if (!ptr1) {std::cout << "ptr1 为空\n";}return 0;
}

适用场景

适用于 独占资源 的情况，如文件句柄、数据库连接等。
在 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）模式中确保资源在作用域结束时释放。

3.2 `std::shared_ptr`（共享所有权）

std::shared_ptr 允许多个智能指针共享同一对象，并使用 引用计数 来管理资源释放。

#include <iostream>
#include <memory>class Test {
public:Test() { std::cout << "Test 构造\n"; }~Test() { std::cout << "Test 析构\n"; }
};int main() {std::shared_ptr<Test> ptr1 = std::make_shared<Test>();{std::shared_ptr<Test> ptr2 = ptr1;std::cout << "ptr1.use_count() = " << ptr1.use_count() << "\n";}// 离开作用域后，ptr2 被销毁，引用计数减少std::cout << "ptr1.use_count() = " << ptr1.use_count() << "\n";return 0;
}

适用场景

适用于 多个对象共享同一资源，例如 缓存、图数据结构 等。
在 观察者模式 或 回调函数 中，多个观察者共享同一数据。

3.3 `std::weak_ptr`（弱引用）

std::weak_ptr 是 不增加引用计数 的 shared_ptr，主要用于打破 循环引用。

#include <iostream>
#include <memory>class B;class A {
public:std::shared_ptr<B> ptrB;~A() { std::cout << "A 析构\n"; }
};class B {
public:std::shared_ptr<A> ptrA;~B() { std::cout << "B 析构\n"; }
};int main() {auto a = std::make_shared<A>();auto b = std::make_shared<B>();a->ptrB = b;b->ptrA = a; // 循环引用，内存不会释放return 0;
}

解决方法：使用 std::weak_ptr 代替 shared_ptr。

class B;
class A {
public:std::weak_ptr<B> ptrB;~A() { std::cout << "A 析构\n"; }
};class B {
public:std::weak_ptr<A> ptrA;~B() { std::cout << "B 析构\n"; }
};

适用场景

适用于 避免循环引用，如 双向关联对象。
用于 缓存系统，防止对象被过早销毁。

注意事项：

小心 std::weak_ptr 使用，在使用 std::weak_ptr 时，需要 lock() 获取 shared_ptr，以确保对象仍然存在。

if (auto sp = weakPtr.lock()) {sp->show();
} else {std::cout << "对象已销毁\n";
}

总结

类型	主要特点	适用场景
unique_ptr	独占所有权，不可复制	独占资源，如文件句柄、数据库连接
shared_ptr	共享所有权，引用计数	共享资源，如缓存、观察者模式
weak_ptr	不增加引用计数，防止循环引用	防止循环引用，如双向关联对象