【C++】浅谈智能指针

1. 指针基础

指针全名为指针变量，是C++中用于存储内存地址的变量。计算机在存储数据时采用有序存放的方式，为了能够准确访问每个数据的位置，需要使用地址来区分，指针变量就是专门用来存放这些地址的变量。

2. 智能指针的本质与实现原理

智能指针本质上是封装了原始C++指针的类模板，是为了确保动态内存安全性而产生的。其实现原理是通过一个对象存储需要被自动释放的资源，然后依靠对象的析构函数来释放资源。

智能指针是C++11引入的最重要特性之一，用于自动管理动态分配的内存，防止内存泄漏和悬空指针问题。它们遵循RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则，确保资源在不再需要时被正确释放。

3. 智能指针类型

C++标准库提供了三种主要的智能指针：

3.1 std::unique_ptr（独占所有权指针）

• 特点：独占所指向的对象，不允许复制，但可以移动
• 用途：用于管理独占所有权的资源，替代原始指针的首选
• 内存开销：几乎为零（通常与原始指针大小相同）

3.2 std::shared_ptr（共享所有权指针）

• 特点：多个shared_ptr可以共享同一个对象的所有权，使用引用计数
• 用途：用于需要多个所有者共享同一资源的场景
• 内存开销：需要存储引用计数（通常是指针大小的两倍）

3.3 std::weak_ptr（弱引用指针）

• 特点：不增加引用计数，用于解决shared_ptr的循环引用问题
• 用途：观察shared_ptr管理的对象，但不拥有所有权
• 内存开销：与shared_ptr类似

4. 关键知识点

4.1 创建智能指针

优先使用std::make_unique和std::make_shared：

//（C++14起）
auto ptr1 = std::make_unique<int>(42);
auto ptr2 = std::make_shared<std::string>("Hello");// 传统方式
std::unique_ptr<int> ptr3(new int(42));
std::shared_ptr<std::string> ptr4(new std::string("Hello"));

4.2 所有权转移

// unique_ptr 的所有权转移
std::unique_ptr<int> source = std::make_unique<int>(42);
std::unique_ptr<int> destination = std::move(source); // source 变为空// shared_ptr 的所有权共享
std::shared_ptr<int> shared1 = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> shared2 = shared1; // 引用计数增加

5. shared_ptr的所有权共享机制

当多个shared_ptr共享同一对象时：

std::shared_ptr<int> shared1 = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> shared2 = shared1; // 共享同一对象

底层机制详解：

1. 第一行：std::make_shared<int>(42)

   • 在堆上分配内存并构造一个值为42的int对象
   • 同时创建一个控制块，其中包含引用计数（初始为1）和其他管理信息
   • shared1包含两个指针：一个指向int对象，一个指向控制块

2. 第二行：shared2 = shared1

   • shared2复制了shared1的两个指针：指向同一int对象和同一控制块
   • 控制块中的引用计数增加（从1变为2）

6. 循环引用问题及解决方案

6.1 什么是循环引用？

循环引用发生在两个或多个对象通过shared_ptr相互引用时，形成一个闭环，导致它们的引用计数永远不会降为零，从而无法被自动销毁。

6.2 基本示例

#include <iostream>
#include <memory>class B; // 前向声明class A {
public:std::shared_ptr<B> b_ptr;~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};class B {
public:std::shared_ptr<A> a_ptr;~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};int main() {auto a = std::make_shared<A>();auto b = std::make_shared<B>();// 形成循环引用a->b_ptr = b;b->a_ptr = a;std::cout << "A use count: " << a.use_count() << std::endl;std::cout << "B use count: " << b.use_count() << std::endl;return 0;// 程序结束时不会打印"A destroyed"和"B destroyed"
}

6.3 循环引用的工作原理

1. 创建a时，A对象的引用计数为1
2. 创建b时，B对象的引用计数为1
3. 当执行a->b_ptr = b时：
   • B对象的引用计数增加为2
   • 现在有两个shared_ptr指向B对象：b和a->b_ptr
4. 当执行b->a_ptr = a时：
   • A对象的引用计数增加为2
   • 现在有两个shared_ptr指向A对象：a和b->a_ptr
5. 当main函数结束时：
   • 局部变量a和b被销毁，它们的引用计数减1
   • A对象的引用计数变为1（来自b->a_ptr）
   • B对象的引用计数变为1（来自a->b_ptr）
   • 由于引用计数不为零，A和B对象都不会被销毁
   • 但没有任何外部指针可以访问这些对象了，导致内存泄漏

6.4 解决方案：使用std::weak_ptr

std::weak_ptr是一种不控制对象生命周期的智能指针，它指向一个由shared_ptr管理的对象，但不会增加引用计数。

修复循环引用：

#include <iostream>
#include <memory>class B; // 前向声明class A {
public:std::shared_ptr<B> b_ptr;~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};class B {
public:std::weak_ptr<A> a_ptr; // 使用weak_ptr而不是shared_ptr~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};int main() {auto a = std::make_shared<A>();auto b = std::make_shared<B>();a->b_ptr = b;b->a_ptr = a; // weak_ptr不会增加引用计数std::cout << "A use count: " << a.use_count() << std::endl;std::cout << "B use count: " << b.use_count() << std::endl;return 0;// 程序结束时会打印"B destroyed"和"A destroyed"
}

7. weak_ptr的计数方式与内存分配

7.1 weak_ptr真的不计数吗？

• weak_ptr不参与强引用计数：不会阻止对象被销毁
• weak_ptr参与弱引用计数：用于管理控制块的生命周期

7.2 内存分配方式

• 使用std::make_shared：对象和控制块在同一内存块中分配
• 直接使用new：对象和控制块分开分配

7.3 控制块内容

控制块包含：

• 强引用计数
• 弱引用计数
• 其他管理信息

7.4 生命周期管理

• 对象生命周期：当强引用计数变为0时，对象被销毁（调用析构函数）
• 控制块生命周期：当强引用计数和弱引用计数都变为0时，控制块被释放

7.5 可视化示例

时间线:
1. shared_ptr 创建: [控制块: strong=1, weak=0] → [对象存在]
2. weak_ptr 创建: [控制块: strong=1, weak=1] → [对象存在]
3. shared_ptr 重置: [控制块: strong=0, weak=1] → [对象销毁!]
4. weak_ptr 检查: 对象已销毁，但控制块存在
5. weak_ptr 销毁: [控制块: strong=0, weak=0] → [控制块销毁]

7.6 形象比喻

想象一个热气球（对象）和它的锚点（控制块）：

1. shared_ptr是抓住气球绳子的人
   • 每个shared_ptr都用力拉着绳子（强引用计数+1）
   • 只要还有人拉着，气球就不会飞走（对象不会被销毁）
2. weak_ptr是旁边看气球的人
   • 他们只观察气球，并不拉绳子（不增加强引用计数）
   • 但他们需要知道这个锚点位置是否存在（弱引用计数+1）

发生了什么？
当最后一个shared_ptr松手（强引用数归零）：

• 气球立刻飞走销毁（对象内存被释放）
• 但锚点还在地上（控制块还在）
• 因为还有weak_ptr观察者需要知道"这里曾经有个气球"

当最后一个weak_ptr也离开：

• 锚点被移除（控制块内存最终释放）

weak_ptr不阻止对象被销毁（不计强引用数），但需要控制块活着来告诉你对象是否还存在（计弱引用数）。这就是它既能解决循环引用，又能安全检查对象状态的原因

---

本文基于学习笔记整理