c++ 智能指针使用注意事项及解决方案

shared_ptr

介绍

shared_ptr 是一种智能指针，用于自动管理动态分配的对象的生命周期。它通过引用计数机制来确保当最后一个 shared_ptr 指向一个对象时，该对象会被自动销毁。

注意事项

当两个或多个 shared_ptr 实例相互引用时，会形成一个环形引用，导致引用计数永远不会达到零，从而引起内存泄漏。

示例

#include <memory>
#include <iostream>

class B; // 前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    ~A() {
        std::cout << "A destructor called" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr;
    ~B() {
        std::cout << "B destructor called" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    return 0;
}

在这个例子中，A 的实例持有 B 的一个 shared_ptr，而 B 的实例也持有 A 的一个 shared_ptr。这导致它们的引用计数永远不会降到零，因此它们的析构函数永远不会被调用，从而造成内存泄漏。

解决方案

使用 std::weak_ptr
std::weak_ptr 是一种智能指针，它不会增加对象的引用计数。它设计用来解决 shared_ptr 的环形引用问题。你可以将其中一个对象的 shared_ptr 替换为 weak_ptr 来避免环形引用：

#include <memory>
#include <iostream>

class B; // 前向声明

class A {
public:
    std::weak_ptr<B> b_ptr; // 使用 weak_ptr 替代 shared_ptr
    ~A() {
        std::cout << "A destructor called" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr;
    ~B() {
        std::cout << "B destructor called" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    return 0;
}

在这个修改后的例子中，A 类使用 std::weak_ptr 来引用 B 类的实例。这样，A 对 B 的引用不会增加 B 的引用计数。因此，当 main 函数结束时，a 和 b 的引用计数都会降到零，它们所指向的对象将被正确销毁，从而避免了内存泄漏。

weak_ptr

weak_ptr 是一种智能指针，用于观察 std::shared_ptr 所管理的对象，但不拥有该对象。std::weak_ptr 不会增加对象的引用计数，因此不会影响对象的生命周期。它主要用于解决 std::shared_ptr 的环形引用问题。

特点

• 不拥有对象，只是观察者。
• 用于监视 std::shared_ptr，但不影响其引用计数。
• 可以从 std::weak_ptr 创建 std::shared_ptr 来访问对象（如果对象还存在）。

示例

#include <iostream>
#include <memory>

class Widget {
public:
    Widget() { std::cout << "Widget constructed\n"; }
    ~Widget() { std::cout << "Widget destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Widget> sharedPtr = std::make_shared<Widget>();
    std::weak_ptr<Widget> weakPtr = sharedPtr;

    std::cout << "Shared count: " << sharedPtr.use_count() << std::endl; // 输出 1

    if (auto tempSharedPtr = weakPtr.lock()) { // 尝试从 weak_ptr 获取 shared_ptr
        std::cout << "Object is alive\n";
    } else {
        std::cout << "Object is destroyed\n";
    }

    sharedPtr.reset(); // 释放 shared_ptr 所有权

    if (auto tempSharedPtr = weakPtr.lock()) { // 再次尝试获取
        std::cout << "Object is alive\n";
    } else {
        std::cout << "Object is destroyed\n"; // 此时输出
    }

    return 0;
}

unique_ptr

unique_ptr 是一种智能指针，它提供对单一对象的独占所有权。这意味着 std::unique_ptr 实例拥有它所指向的对象，并且不允许复制该智能指针，只允许移动。当 std::unique_ptr 被销毁时，它所指向的对象也会被自动销毁。

特点

• 独占所有权模型。
• 不支持复制，只支持移动。
• 自动释放所拥有的资源。
• 轻量级，开销小。

示例

#include <iostream>
#include <memory>

class Widget {
public:
    Widget() { std::cout << "Widget constructed\n"; }
    ~Widget() { std::cout << "Widget destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<Widget> widgetPtr = std::make_unique<Widget>();
    // std::unique_ptr<Widget> anotherPtr = widgetPtr; // 编译错误，不能复制
    std::unique_ptr<Widget> movedPtr = std::move(widgetPtr); // 移动是允许的
    return 0;
}