c++总结-04-智能指针

一、内存管理的一些基础

new/delete 表达式

new 表达式完成两件事情：
• 1. 分配对象所需要的内存
• 2. 调用构造器构造对象初始状态
delete 表达式完成两件事情：
• 1. 调用析构器析构对象状态
• 2. 释放对象所占的内存

new[] /delete[] 表达式

new[] 表达式完成两件事情：
• 1. 分配对象数组所需要的内存
• 2. 每一个元素调用构造器构造对象初始状态
delete[] 表达式完成两件事情
• 1. 每一个元素调用析构器析构对象状态
• 2. 释放对象数组所占的所有内存

new[]/delete[] 不能和new/delete 混搭，必须匹配

placement new

在指定内存位置构造对象

void* memory = std::malloc(sizeof(MyClass));
MyClass* myObject = ::new (memory) MyClass("Software");

• 只负责构造对象，不负责分配内存
• 没有placement delete，直接显式调用析构器即可。

myObject->~MyClass();
std::free(memory);

new/delete 操作符

• operator new负责分配内存（当new表达式被调用时）
• 可以定义全局也可以定义针对某一个类的“成对重载”

auto operator new(size_t size) -> void* { 
void* p = std::malloc(size); 
std::cout << "allocated " << size << " byte(s)\n"; 
return p; 
} 
auto operator delete(void* p) noexcept -> void { 
std::cout << "deleted memory\n"; 
return std::free(p); 
}

new[]/delete[] 操作符

• new/delete 操作符对应的数组形式, 可以成对重载

auto operator new[](size_t size) -> void* {
void* p = std::malloc(size); 
std::cout << "allocated " << size << " byte(s) new[]\n"; return p; 
} 
auto operator delete[](void* p) noexcept -> void { 
std::cout << "deleted memory delete[]\n"; 
return std::free(p); 
}

为某一个类重载new/delete操作符

class MyClass { 
public:
auto operator new(size_t size) -> void* {
return ::operator new(size);
} 
auto operator delete(void* p) -> void {
::operator delete(p); 
} 
};
MyClass* p = ::new MyClass{}; 
::delete p;

小对象优化

• 堆分配可能有严重的碎片效应
• 不是所有的new都必然存储在堆上，可以自定义• 栈适合存储连续的少量对象
• 堆适合存储离散的大量对象
• 利用栈作为对象缓冲区

class MiniString {
private:// 内部存储：联合体区分堆模式/栈模式union {char* heap_ptr;     // 堆模式：指向动态内存char stack_buf[16]; // 栈模式：存储最多15字符+1结束符};// 高1位标记模式，低15位记录长度（仅示例，实际需位操作）size_t metadata;// 辅助函数bool is_heap() const { return metadata & 0x8000; } // 最高位为1表示堆模式size_t length() const { return metadata & 0x7FFF; } // 低15位为长度public:explicit MiniString(const char* str) {size_t len = strlen(str);if (len < 16) {// 栈模式：直接复制到内部缓冲区strcpy(stack_buf, str);metadata = len; // 最高位0表示栈模式}else {// 堆模式：动态分配内存heap_ptr = new char[len + 1];strcpy(heap_ptr, str);metadata = len | 0x8000; // 最高位置1}}// 析构函数~MiniString() {if (is_heap()) {delete[] heap_ptr;}// 栈模式无需额外操作}// 打印字符串void print() const {if (is_heap()) {std::cout << heap_ptr;}else {std::cout << stack_buf;}}
};int main() {// 短字符串MiniString s1("hello\n");s1.print(); // 输出 "hello"（存储在栈缓冲区）// 长字符串MiniString s2("this_is_a_very_long_string_that_exceeds_15_characters\n");s2.print(); // 输出长字符串（存储在堆）return 0;
}

结果：

二、智能指针

• 智能指针封装了裸指针，内部还是裸指针的调用
• 智能指针使用RAII特点，将对象生命周期使用栈来管理。
• 智能指针区分了所有权，因此使用责任更为清晰。
• 智能指针大量使用操作符重载和函数内联特点，调用成本和裸指针无差别

一、unique_ptr解析

• 默认情况存储成本和裸指针相同，无添加
• 独占拥有权
• 不支持拷贝构造，只支持移动（所有权转移）
• 可以转换成shared_ptr
• 可自定义删除操作（policy设计），注意不同删除操作的存储成本：
         • 函数对象（实例成员决定大小）
         • lambda （注意捕获效应会导致lambda对象变大）
         • 函数指针（增加一个指针长度）

二、unique指针内存模型

三、基本使用方法

1. 创建 unique_ptr

// 方式1：直接构造
std::unique_ptr<int> ptr1(new int(42));// 方式2：推荐使用 make_unique (C++14起)
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::make_unique<int>(42);// 方式3：创建数组
std::unique_ptr<int[]> arr = std::make_unique<int[]>(10);

2. 所有权转移

std::unique_ptr<int> ptrA = std::make_unique<int>(10);
std::unique_ptr<int> ptrB = std::move(ptrA); // 所有权转移// 此时 ptrA == nullptr，ptrB 拥有资源

3. 释放资源

ptrB.reset();       // 显式释放资源
ptrB.reset(new int(20)); // 释放旧资源，接管新资源

四、关键注意事项

禁止拷贝：unique_ptr 是独占所有权的智能指针，不能拷贝构造或拷贝赋值

std::unique_ptr<int> a = std::make_unique<int>(1);
std::unique_ptr<int> b = a; // 错误！编译失败

多态使用必须虚析构：

class Base {
public:virtual ~Base() = default; // 必须要有虚析构函数
};

数组与对象形式不同：

// 对象版本
std::unique_ptr<MyClass> obj;// 数组版本
std::unique_ptr<MyClass[]> arr;

避免裸指针转换：

int* raw = ptr.get(); // 可以获取但不建议长期保存
delete raw; // 严重错误！会导致双重释放

五、unique_ptr使用场景

• 为动态分配内存提供异常安全（RAII）
• 将动态分配内存的所有权传递给函数
• 从函数内返回动态分配的内存（工厂函数）
• 在容器中保存指针

std::unique_ptr<Shape> createShape(ShapeType type) {switch(type) {case Circle: return std::make_unique<Circle>();case Square: return std::make_unique<Square>();}
}

• 在对象中保存多态子对象（数据成员）

六、高级用法

• 1.自定义删除器

// 函数指针形式
void FileDeleter(FILE* fp) { fclose(fp); }
std::unique_ptr<FILE, decltype(&FileDeleter)> filePtr(fopen("a.txt", "r"), FileDeleter);

// 函数对象形式
struct ArrayDeleter {void operator()(int* p) { delete[] p; }
};
std::unique_ptr<int, ArrayDeleter> arrPtr(new int[10]);

• 2.多态转换

class Base { virtual ~Base() {} };
class Derived : public Base {};std::unique_ptr<Derived> derived = std::make_unique<Derived>();
std::unique_ptr<Base> base = std::move(derived); // 向上转型

• 3.作为函数参数

// 1. 值传递（转移所有权）
void takeOwnership(std::unique_ptr<Resource> res);// 2. 引用传递（不转移所有权）
void useResource(const std::unique_ptr<Resource>& res);// 3. 原始指针访问（不取得所有权）
void workWithResource(Resource* res);

unique_ptr可转为shared_ptr

std::unique_ptr<std::string> foo()
{return std::make_unique<std::string>("foo");
}int main()
{std::shared_ptr<std::string> sp1 = foo(); auto up = std::make_unique<std::string>("Hello World");std::shared_ptr<std::string> sp2 = std::move(up); //std::shared_ptr<std::string> sp3 = up; if(sp2.unique())cout<<"only 1 count"<<endl;}

七、shared_ptr解析

• 共享所有权
• 存储成本较裸指针多了引用计数指针（和相关控制块-共享）• 接口慎用（蔓延问题）
• 线程安全，引用计数增减会减慢多核性能
• 最适合共享的不变数据
• 支持拷贝构造，支持移动

八、共享指针内存模型

九、使用方法

1.基本使用

#include <memory>// 创建 shared_ptr
std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>(42); // 推荐方式
std::shared_ptr<int> p2(new int(100));               // 直接构造（不推荐）// 拷贝和赋值（引用计数递增）
std::shared_ptr<int> p3 = p1;  // p1、p3 共享所有权// 解引用访问对象
std::cout << *p1 << std::endl; // 输出 42

2.自定义删除器

// 管理文件句柄
std::shared_ptr<FILE> file_ptr(fopen("test.txt", "r"),[](FILE* f) { if (f) fclose(f); } // 自定义删除器
);// 管理数组（需自定义删除器）
std::shared_ptr<int[]> arr_ptr(new int[10], [](int* p) { delete[] p; }
);

3.结合 weak_ptr 打破循环引用

class B; 
class A {
public:std::shared_ptr<B> b_ptr;
};class B {
public:std::weak_ptr<A> a_weak_ptr; // 使用 weak_ptr 避免循环引用
};auto a = std::make_shared<A>();
auto b = std::make_shared<B>();
a->b_ptr = b;
b->a_weak_ptr = a; // 不会增加引用计数

十、适用场景

1.共享资源所有权
多个对象需要共享同一块动态分配的内存。

2.复杂生命周期管理
不确定何时释放资源时（如异步操作、缓存系统）。

3.容器的对象管理
在容器中存储动态分配的对象，避免手动内存管理。

4.与第三方库交互
管理 C 风格 API 分配的资源（如文件句柄、网络连接）。

十一、实现原理

1.控制块（Control Block）
• 组成：引用计数、弱引用计数、删除器（Deleter）、分配器（Allocator）。
• 内存布局：
         std::make_shared：对象和控制块连续分配（高效，减少内存碎片）。
         直接构造：对象和控制块分开分配（两次内存申请）。
2.引用计数
• 线程安全：引用计数的增减是原子的（通过 std::atomic 实现），但对象本身的访问需要额外同步。
• 计数规则：
         构造或拷贝 shared_ptr 时，引用计数 +1。
         析构或赋值时，引用计数 -1，归零时调用删除器释放资源。
3.weak_ptr 的作用
• 不增加引用计数，但可检测资源是否有效（通过 lock() 获取临时 shared_ptr）。
• 弱引用计数归零时，释放控制块。

十二、注意点

1.避免常见错误
         • 不要用裸指针初始化多个 shared_ptr：

	int* raw = new int(10);std::shared_ptr<int> p1(raw);std::shared_ptr<int> p2(raw); // 错误！会导致双重释放

         • 不要用栈对象地址初始化：

	int x = 10;std::shared_ptr<int> p(&x); // 错误！栈对象会自动释放

2.性能与开销
         • 原子操作开销：引用计数的原子操作有轻微性能损耗（高并发场景需评估）。
         • 内存占用：每个 shared_ptr 携带指向控制块的指针（通常为 16 字节）。

3.循环引用
         •问题：两个对象互相持有对方的 shared_ptr，引用计数永不归零。
         •解决：用 weak_ptr 替代其中一个指针。
4. 优先使用 make_shared
         •优点：
                内存分配优化（对象和控制块连续）。
                避免因异常导致的内存泄漏（如构造函数抛出异常时，new 分配的资源可能泄漏）。
         •例外：需自定义删除器或需单独分配对象时

十三、智能指针最佳实践

• 智能指针仅用于管理内存，不要用于管理非内存资源。非内存资源使用RAII类封装
• 用 unique_ptr表达唯一所有权
• 用 shared_ptr表达共享所有权
• 优先采用 unique_ptr 而不是 shared_ptr，除非需要共享所有权
• 针对共享情况考虑使用引用计数。
• 使用 make_unique() 创建 unique_ptr
• 使用 make_shared() 创建 shared_ptr
• 使用 weak_ptr 防止 shared_ptr 的循环引用