1. 引言
C++ 引入智能指针的主要目的是为了自动化内存管理，减少手动 new 和 delete 带来的复杂性和错误。智能指针通过 RAII（资源获取即初始化）机制，在对象生命周期结束时自动释放资源，从而有效防止内存泄漏和资源管理错误。
2. 原生指针 vs 智能指针
原生指针
原生指针是 C++ 最基本的指针类型，允许程序员直接管理内存。然而，原生指针存在以下问题：
- 内存泄漏：未释放动态分配的内存。
- 悬挂指针：指针指向已释放或未初始化的内存。
- 双重释放：多次释放同一内存区域。
智能指针的优势
智能指针通过封装原生指针，自动管理内存，解决上述问题。主要优势包括：
- 自动销毁：在智能指针生命周期结束时自动释放资源。
- 引用计数：共享智能指针能够跟踪引用数量，确保资源在最后一个引用结束时释放。
- 避免内存泄漏：通过 RAII 机制自动管理资源生命周期。
- 类型安全：提供更严格的类型检查，减少错误。
3. std::unique_ptr
3.1 定义与用法
std::unique_ptr 是一种独占所有权的智能指针，任何时刻只能有一个 unique_ptr 实例拥有对某个对象的所有权。不能被拷贝，只能被移动。
主要特性：
- 独占所有权：确保资源在一个所有者下。
- 轻量级：没有引用计数，开销小。
- 自动释放：在指针销毁时自动释放资源。
3.2 构造函数与赋值
unique_ptr 提供多种构造函数和赋值操作，以支持不同的使用场景。
- 默认构造函数：创建一个空的
unique_ptr。 - 指针构造函数：接受一个裸指针，拥有其所有权。
- 移动构造函数：将一个
unique_ptr的所有权转移到另一个unique_ptr。 - 移动赋值操作符：将一个
unique_ptr的所有权转移到另一个unique_ptr。
3.3 移动语义
由于 unique_ptr 不能被拷贝，必须通过移动语义转移所有权。这保证了资源的独占性。
3.4 代码案例
1 |
|
输出：
1 | Test Constructor: 100 |
解析：
ptr1拥有Test(100)，ptr2拥有Test(200)。- 通过
std::move将ptr1的所有权转移到ptr3，ptr1变为空。 ptr2.reset(new Test(300))释放了原有的Test(200)，并拥有新的Test(300)。- 程序结束时，
ptr3和ptr2自动释放各自拥有的资源。
4. std::shared_ptr
4.1 定义与用法
std::shared_ptr 是一种共享所有权的智能指针，允许多个 shared_ptr 实例共享对同一个对象的所有权。通过引用计数机制，管理资源的生命周期。
主要特性：
- 共享所有权：多个
shared_ptr可以指向同一个对象。 - 引用计数：跟踪有多少
shared_ptr实例指向同一对象。 - 自动释放：当引用计数为0时，自动释放资源。
4.2 引用计数与控制块
shared_ptr 背后依赖一个控制块（Control Block），用于存储引用计数和指向实际对象的指针。控制块的主要内容包括：
- 强引用计数（
use_count）：表示有多少个shared_ptr指向对象。 - 弱引用计数（
weak_count）：表示有多少个weak_ptr指向对象（不增加强引用计数）。
4.3 构造函数与赋值
shared_ptr 提供多种构造函数和赋值操作，以支持不同的使用场景。
- 默认构造函数：创建一个空的
shared_ptr。 - 指针构造函数：接受一个裸指针，拥有其所有权。
- 拷贝构造函数：增加引用计数，共享对象所有权。
- 移动构造函数：转移所有权，源
shared_ptr变为空。 - 拷贝赋值操作符：释放当前资源，增加引用计数，指向新对象。
- 移动赋值操作符：释放当前资源，转移所有权，源
shared_ptr变为空。
4.4 代码案例
1 |
|
输出：
1 | Test Constructor: 100 |
解析：
创建
sp1，引用计数为1。拷贝构造
sp2，引用计数增加到2。拷贝赋值
sp3，引用计数增加到3。```
sp2.reset(new Test(200))1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
：
- 原 `Test(100)` 的引用计数减少到2。
- 分配新的 `Test(200)`，`sp2` 拥有它，引用计数为1。
- 程序结束时：
- `sp1` 和 `sp3` 释放 `Test(100)`，引用计数降到0，资源被销毁。
- `sp2` 释放 `Test(200)`，引用计数为0，资源被销毁。
## 5. `std::weak_ptr`
### 5.1 定义与用法
`std::weak_ptr` 是一种不拥有对象所有权的智能指针，用于观察但不影响对象的生命周期。主要用于解决 `shared_ptr` 之间的循环引用问题。
**主要特性**：
- **非拥有所有权**：不增加引用计数。
- **可从 `shared_ptr` 生成**：通过 `std::weak_ptr` 可以访问 `shared_ptr` 管理的对象。
- **避免循环引用**：适用于双向关联或观察者模式。
### 5.2 避免循环引用
在存在双向关联（如父子关系）时，使用多个 `shared_ptr` 可能导致循环引用，导致内存泄漏。此时，可以使用 `weak_ptr` 来打破循环。
### 5.3 代码案例
#### 场景：双向关联导致循环引用
```cpp
#include <iostream>
#include <memory>
class B; // 前向声明
class A {
public:
std::shared_ptr<B> ptrB;
A() { std::cout << "A Constructor" << std::endl; }
~A() { std::cout << "A Destructor" << std::endl; }
};
class B {
public:
std::shared_ptr<A> ptrA;
B() { std::cout << "B Constructor" << std::endl; }
~B() { std::cout << "B Destructor" << std::endl; }
};
int main() {
{
std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
a->ptrB = b;
b->ptrA = a;
}
std::cout << "Exiting main..." << std::endl;
return 0;
}
输出：
1 | A Constructor |
问题：
虽然 a 和 b 离开作用域，但 A Destructor 和 B Destructor 并未被调用，因为 a 和 b 相互引用，引用计数无法降到0，导致内存泄漏。
解决方案：使用 weak_ptr
改用 weak_ptr 其中一方（如 B 的 ptrA），打破循环引用。
1 |
|
输出：
1 | A Constructor |
解析：
B使用weak_ptr指向A，不增加引用计数。a和b离开作用域，引用计数降为0，资源被正确释放。- 防止了循环引用，避免了内存泄漏。
5.4 访问 weak_ptr 指向的对象
weak_ptr 不能直接访问对象，需要通过 lock() 方法转换为 shared_ptr，并检查对象是否仍然存在。
1 |
|
输出：
1 | Value: 42 |
解析：
wp.lock()返回一个shared_ptr，如果对象依然存在，则有效。sp.reset()释放资源后，wp.lock()无法获取有效的shared_ptr。
6. 自定义删除器
6.1 用例与实现
有时，默认的 delete 操作不适用于所有资源管理场景。此时，可以使用自定义删除器来指定资源释放的方式。例如，管理文件句柄、网络资源或自定义清理逻辑。
6.2 代码案例
用例：管理 FILE* 资源
1 |
|
输出：
1 | File opened successfully. |
解析：
- 自定义删除器
FileDeleter用于在shared_ptr被销毁时关闭文件。 - 使用
filePtr.get()获取原生FILE*指针进行文件操作。 - 离开作用域时，自动调用
FileDeleter关闭文件。
6.3 使用 Lambda 表达式作为删除器
C++11 允许使用 lambda 表达式作为删除器，简化代码。
1 |
|
输出：
1 | File opened successfully. |
解析：
- 使用
std::unique_ptr搭配 lambda 删除器管理FILE*。 - 提供了更灵活和简洁的删除器实现。
7. 最佳实践与常见陷阱
7.1 选择合适的智能指针
- **
std::unique_ptr**：- 用于明确的独占所有权场景。
- 适用于资源的单一管理者或需要所有权转移的情况。
- 更轻量，性能更优。
- **
std::shared_ptr**：- 用于共享所有权的场景。
- 需要多个指针共同管理同一资源时使用。
- 引用计数带来一定的性能开销。
- **
std::weak_ptr**：- 用于观察不拥有资源的场景。
- 适用于需要避免循环引用或只需临时访问资源的情况。
7.2 避免循环引用
在使用 shared_ptr 时，特别是在对象间存在双向引用时，容易导致循环引用，内存泄漏。使用 weak_ptr 打破循环引用。
7.3 使用 make_shared 与 make_unique
优先使用 make_shared 和 make_unique 来创建智能指针，避免直接使用 new，提高效率和异常安全性。
1 | auto sp = std::make_shared<Test>(100); |
7.4 不要混用原生指针与智能指针
避免在智能指针管理的对象上同时使用原生指针进行管理，防止重复释放或不安全访问。
7.5 理解智能指针的所有权语义
深入理解不同智能指针的所有权规则，避免误用导致资源管理错误。
8. 总结
智能指针是 C++ 中强大的资源管理工具，通过封装原生指针，提供自动化的内存管理，极大地减少了内存泄漏和资源管理错误。std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 各有其应用场景，理解它们的差异和使用方法对于编写安全、高效的 C++ 代码至关重要。此外，通过实现自己的智能指针（如 SimpleSharedPtr），可以更深入地理解智能指针的工作原理，为高级 C++ 编程打下坚实基础。
