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优秀开源内容转自公众号后端开发成长指南

news 2025/9/7 3:08:03

背景：在C++中，手动管理资源(new/delete）容易出错，导致：内存泄漏，重复释放，异常安全等问题。

为了解决这些问题，C++11引入了智能指针：

std::unique_ptr:独占所有权，std::shared_ptr 共享所有权，通过引用计数来管理生命周期

原理：

unique_ptr:目标是独占所有权，不可复制，只能移动(move)

使用场景：资源唯一所有权，RAII风格自动释放；

核心问题是：避免内存泄漏，支持移动语义。

核心原理：

1.独占所有权：唯一指针拥有资源，拷贝被禁用

2.移动语义：通过移动实现资源转移：

3.RAII:生命周期结束自动释放。

3.性能特点：

内存占用小（只存储原始指针和删除器）

无额外引用计数开销

编译器开销低

异常安全，必变资源泄漏；

shared_ptr：目标是多方共享资源，引用计数控制生命周期。

使用场景：多线程共享对象，缓存管理。

核心问题：

自动管理生命周期；处理多线程环境下的引用计数(atomic)

避免循环引用问题

1.内部结构：核心在于引用计数和控制块。

shared_ptr<T>
├── T* ptr // 实际对象指针
└── ControlBlock* cb // 引用计数和删除器

控制块结构示例：

2.核心逻辑：

1）构造shared_ptr:初始化use_count = 1;

2) 拷贝shared_ptr:use_count++(原子操作）

3）析构shared_ptr:use_count--，若为0调用删除器销毁对象；

weak_ptr:不增加use_count,仅增加weak_count,用于解决循环引用。

3.关键实现细节：

线程安全：std::atomic 保证引用计数在多线程下正确；

控制块分离：

对象和控制快分离，可以支持make_shared内联分配（减少内存碎片）

循环引用问题：

两个shared_ptr互相循环引用会导致引用计数不为0

需要weak_ptr解决；

4.性能分析：

unique_ptr vs shared_ptr

1.内存占用：

小，指针+删除器；控制块额外开销，atomic计数

2. 拷贝/移动开销

禁止拷贝，移动开销小；拷贝需要原子操作，移动开销小

3.多线程安全

依赖外部保护；引用计数原子操作保证安全

关键区别：引用计数的原子性

cpp

// ❌ unique_ptr - 所有权转移不是线程安全的
class BadExample {std::unique_ptr<Data> data;
public:// 线程1调用void thread1() {auto temp = std::move(data); // 危险！没有同步// data现在是nullptr}// 线程2调用void thread2() {if (data) { // 竞态条件！data->process(); // 可能崩溃}}
};// ✅ shared_ptr - 引用计数操作是原子的
class GoodExample {std::shared_ptr<Data> data;
public:// 线程1调用void thread1() {auto local_copy = data; // 原子地增加引用计数if (local_copy) {local_copy->process(); // 安全使用}} // 原子地减少引用计数// 线程2调用  void thread2() {auto local_copy = data; // 原子地增加引用计数if (local_copy) {local_copy->process(); // 安全使用}} // 原子地减少引用计数
};

更好的对比示例

cpp

// unique_ptr - 必须用锁保护所有权转移
class TaskProcessor {std::unique_ptr<Task> current_task;std::mutex task_mutex;
public:void process() {std::unique_ptr<Task> local_task;{std::lock_guard<std::mutex> lock(task_mutex);local_task = std::move(current_task); // 必须在锁内移动}if (local_task) {local_task->execute();}}void setTask(std::unique_ptr<Task> task) {std::lock_guard<std::mutex> lock(task_mutex); // 必须加锁current_task = std::move(task);}
};// shared_ptr - 复制操作本身是线程安全的
class DataCache {std::shared_ptr<CachedData> cached_data;// 注意：这里不需要mutex保护shared_ptr的复制！
public:void updateCache(std::shared_ptr<CachedData> new_data) {cached_data = new_data; // 原子操作，无需加锁}std::shared_ptr<CachedData> getData() {return cached_data; // 原子操作，无需加锁}void process() {auto local_data = getData(); // 线程安全地获取副本if (local_data) {// 即使其他线程调用updateCache()，local_data仍然有效local_data->doWork(); }}
};

4.循环引用风险

无；有，需要weak_ptr

5.适用场景：

独占资源 RAII；多方共享对象管理，缓存，异步任务。

核心思想：能用 unique_ptr 就用 unique_ptr，能静态分析生命周期，避免 atomic 开销；需要多方共享才用 shared_ptr，并结合 weak_ptr 避免循环引用。

总结：

unique_ptr:

独占资源所有权，低开销，RAII自动释放

通过移动语义实现所有权转移

shared_ptr：共享资源，通过引用计数和控制块管理生命周期

支持多线程，但有性能开销

循环引用需要weak_ptr解决。

在分布式系统

•

hotspot 对象尽量用 unique_ptr

•

异步回调、共享上下文用 shared_ptr

一句话总结：
“能唯一所有权就用 unique_ptr，必须共享就用 shared_ptr，控制引用计数就是控制你的性能。”

struct ControlBlock {std::atomic<size_t> use_count;   // 强引用计数std::atomic<size_t> weak_count;  // 弱引用计数Deleter deleter;                 // 删除器T* ptr;                          // 指向对象
};