C++ unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr全面解析

unique_ptr

所有权转移

unique_ptr不能被拷贝和用于赋值，因为unique_ptr删掉了这两个函数

但是底层源码重载了传右值的拷贝构造
所以可以通过std::move来通过转移所有权

unique_ptr<Data> p6(new Data());
//不可复制构造和赋值复制
//unique_ptr<Data>p7 = p6; 错误

//p6释放所有权 转移到p7
unique_ptr<Data>p7 = move(p6);

unique_ptr<Data>p8(new Data());
p7 = move(p8);//重新移动赋值，原有的p6会被释放掉
//重置空间，原空间清理
p7.reset(new Data());

所有权释放

注意！当unique_ptr释放所有权以后智能指针就不会再管理这块空间，需要自己手动释放空间！

//释放所有权
unique_ptr<Data>p9(new Data());
auto ptr9 = p9.release();//注意，release释放所有权以后要自己清理空间
delete ptr9;//！！！！！！

make_unique 和直接（new）unique_ptr

区别一 ：需要一次性处理多个资源分配的地方make_unique比unique_ptr更安全

void process_data(
    std::unique_ptr<Data> p1, 
    std::unique_ptr<Data> p2
);

process_data(
    std::unique_ptr<Data>(new Data("A")),  // 分配资源 A
    std::unique_ptr<Data>(new Data("B"))   // 分配资源 B
);

编译器在构造函数参数时，​执行顺序是不确定的。可能的执行顺序例如：

1. new Data(“A”) → 成功，得到一个裸指针 A
2. new Data(“B”) → 成功，得到一个裸指针 B*
3. 构造unique_ptr 接管 A*
4. 构造 unique_ptr 接管 B*

如果中间发生异常：

1. new Data(“A”) → 成功，得到 A*
2. new Data(“B”) → ​抛出异常（例如内存不足）​ ​此时 A* 尚未被 unique_ptr 接管！​ 异常被抛出后，裸指针 A* 无法被自动释放 → ​内存泄漏。

如果选用make_unique

process_data(
    std::make_unique<Data>("A"),  // 直接构造并接管资源 A
    std::make_unique<Data>("B")   // 直接构造并接管资源 B
);

此时每一步的执行：

1. make_unique(“A”) → ​立即构造对象并封装到 unique_ptr，无裸指针暴露
2. make_unique(“B”) → 同上 如果 make_unique(“B”) 抛出异常：
   ​make_unique(“A”) 已经返回的 unique_ptr 会正常析构 → 资源 A 被自动释放没有泄漏！

区别二 ：直接new支持自定义删除器

new支持在构造 unique_ptr 时指定自定义删除器

std::unique_ptr<MyClass, Deleter> p(new MyClass, custom_deleter);

但是make_unique不支持，只能使用默认的 delete 操作符。

shared_ptr

shared_ptr智能指针指向同一个对象的不同成员

sc2和sc3 分别 指向sc1的index1成员和index2成员，使sc1的引用计数+2

class Data
{
public:
	Data() {

		cout<< "Begin Data" << endl;
	}
	~Data() { cout<< "End Data" << endl; }
	int index1 = 0;
	int index2 = 0;
};

{
	shared_ptr<Data>sc1(new Data);
	//打印引用计数 = 1
	cout << "sc1.use_count() = " << sc1.use_count() << endl;

	shared_ptr<int>sc2(sc1,&sc1->index1);//引用计数+1
	shared_ptr<int>sc3(sc1, &sc1->index2);//引用计数+1
	//打印引用计数 = 3
	cout << "sc1.use_count() = " << sc1.use_count() << endl;
}

循环引用问题

当两个或多个对象通过 shared_ptr ​互相持有对方时，它们的引用计数永远不会归零，导致内存无法释放。

	class A
	{
	public:
		A() { cout << "Create A" << endl; }
		~A() { cout << " Drop A " << endl; }

		void Do()
		{
			cout << "Do b2.use_count() = " << b2.use_count() << endl;
			auto b = b2.lock(); //复制一个shared_ptr 引用计数加一
			cout << "Do b2.use_count() = " << b2.use_count() << endl;

		}

		shared_ptr<B> b1;//强智能指针
		weak_ptr<B> b2;  //弱智能指针
	};
	class B
	{
	public:
		B() { cout << "Create B" << endl; }
		~B(){ cout << " Drop B " << endl; }
		shared_ptr<A> a1;//强智能指针
		weak_ptr<A> a2;  //弱智能指针

	};

	{
		auto a = make_shared<A>();//a引用计数+1
		auto b = make_shared<B>();//b引用计数+1

		a->b1 = b;//b引用计数+1
		//出作用域前，引用计数为2
		cout << "a->b1 = b;b.use_count()=" << b.use_count() << endl;

		b->a1 = a;//a引用计数+1
		//出作用域前，引用计数为2
		cout << "b->a1 = a;a.use_count()=" << a.use_count() << endl;

	}

由于调用问题，导致出作用域以后a和b的引用计数都还是1，所以空间没有被释放

改成使用weak_ptr

	{
		auto a = make_shared<A>();
		auto b = make_shared<B>();

		a->b2 = b;//weak_ptr 引用计数不加一
		a->Do();//Do函数里引用计数加一,出Do函数作用域减一
		cout << "a->b2 = b;b.use_count()=" << b.use_count() << endl;

		b->a2 = a;//引用计数不加一
		cout << "b->a2 = a;a.use_count()=" << a.use_count() << endl;

	}//不会产生循环引用问题

为什么weak_ptr能解决shared_ptr的循环引用问题

weak_ptr 本身不拥有资源所有权：
它只是观察 shared_ptr 管理的对象，不会增加引用计数。

所以a->b2 = b;这句不会增加b的引用计数
同理b->a2 = a;这句也不会增加a的引用计数

但是由于weak_ptr只是一个观察者，无法访问任何资源，仅“观察”资源，不拥有所有权如果想要访问资源该怎么办呢？

如同a->Do();里做的那样
只要原 shared_ptr（即 a）未释放资源，就可以通过 lock() 获取有效的 shared_ptr 并访问。

void Do()
{
	cout << "Do b2.use_count() = " << b2.use_count() << endl;
	auto b = b2.lock(); //返回一个shared_ptr 引用计数加一
	
	//这里还可以做其他的访问shared_ptr资源的操作

	cout << "Do b2.use_count() = " << b2.use_count() << endl;

}//出作用域加上的那个引用计数自动-1

通过weak_ptr.lock()来 返回 一个 shared_ptr 并将引用计数加一

（注意！只有当原shared_ptr对象还存在的时候才会返回shared_ptr，否者返回nullptr）

除了放函数里，还能放判断条件里

    if (auto a_shared = b->a_weak.lock()) {
        // 返回nullptr 说明shared_ptr被释放
        //不会执行此处
    } else {
 		//引用计数+1
        std::cout << "A is already destroyed!" << std::endl;  // 输出此句
    }//引用计数-1

通过这种方式，weak_ptr 可以安全地观察资源，而不会导致循环引用或内存泄漏

make_shared 和 直接 new 一个shared_ptr的区别

区别一：make_shared资源分配更安全

原因和make_unique一样，这里就不再赘述了

区别二：直接new支持自定义删除器

区别三：内存分配方式不同

由于shared_ptr除了维护对象本身的内存以外还要维护一个控制块

• ​强引用计数​（use_count）：记录有多少个 shared_ptr 共享对象
• ​弱引用计数​（weak_count）：记录有多少个weak_ptr 观察对象​
• 自定义删除器​（如果存在）。 ​
• 对象指针​（指向实际分配的对象）。

make_shared 在底层会 ​一次性分配一块连续内存，既存储对象本身，也存储控制块。

但是new shared_ptr会有两次分配

std::shared_ptr<MyClass> p(new MyClass);

1. 第一次分配：new MyClass 分配对象内存。
2. ​第二次分配：shared_ptr 构造函数内部为控制块分配内存。

为什么make_unique和直接new unique_ptr都是一次分配内存

因为unique_ptr 不需要维护引用计数，因此 ​没有控制块。无论通过 make_unique 还是直接 new，都只需分配对象内存

shared_ptr合并分配的缺点

对象和控制块内存绑定，即使所有 shared_ptr 销毁，若仍有 weak_ptr 存在，对象内存仍然需等待控制块释放（但析构函数会被及时调用）

shared_ptr控制块内存的延迟释放是内存泄漏吗？

由于make_shared 是一次性分配一块连续内存，同时存储 ​对象实例 和 ​控制块​（包含引用计数、弱引用计数等）

所以当没有weak_ptr存在时

通过make_shared建立的shared_ptr：

• 对象析构函数立即被调用。
• 整块内存（对象 + 控制块）立即释放。

通过new建立的shared_ptr：

• 对象内存立即释放。
• 控制块内存也立即释放。

当有weak_ptr存在时

通过make_shared建立的shared_ptr：

• 对象析构函数被调用（资源清理）。 ​
• 对象内存和控制块内存暂时保留​（直到所有 weak_ptr 也被销毁）。

通过new建立的shared_ptr：

• 对象内存立即释放（仅保留控制块内存）。

由于make_shared对象和控制块内存是连续的，无法单独释放对象内存。所以必须等待所有 weak_ptr 销毁后，​整块内存才能一起释放。

那这是内存泄漏吗？

不是！​ 内存泄漏的定义是：​无法再访问且未释放的内存。
而在此时：
对象析构函数已被调用（资源已清理）。
内存仍被 weak_ptr 的控制块管理，虽然未释放，但程序仍能通过 weak_ptr 的机制感知到内存状态。
当所有 weak_ptr 销毁后，内存会被正确释放。