【C++】26. 智能指针

一、智能指针的使⽤场景分析

下⾯程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后⾯的delete没有得到执⾏，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本⾝也可能抛异常，连续的两个new和下⾯的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很⿇烦。智能指针放到这样的场景⾥⾯就让问题简单多了。

double Divide(int a, int b)
{if (b == 0){throw "Divide by zero condition!";}return (double)a / (double)b;
}void Func()
{//这里如果发生除0错误抛出异常,下面的array1和array2没有得到释放//所以这里捕获异常后不处理,异常交给外层处理,这里捕获了再重新抛出去//但是如果array2 new的时候发生异常,就还需要一层捕获释放逻辑,这里使用智能指针能更好地解决int* array1 = new int[10];int* array2 = new int[10];try{int len, time;cin >> len >> time;cout << Divide(len, time) << endl;}catch (...){cout << "delete []" << array1 << endl;cout << "delete []" << array2 << endl;delete[] array1;delete[] array2;throw;//重新捕获异常}//...cout << "delete []" << array1 << endl;cout << "delete []" << array2 << endl;delete[] array1;delete[] array2;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

运行结果：

二、RAII和智能指针的设计思路

• RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利⽤对象⽣命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这⾥的资源可以是内存、⽂件指针、⽹络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源在对象的⽣命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。

• 智能指针类除了满⾜RAII的设计思路，还要⽅便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，⽅便访问资源。

double Divide(int a, int b)
{if (b == 0){throw "Divide by zero condition!";}return (double)a / (double)b;
}template<class T>
class SmartPtr
{
public://RAIISmartPtr(T* ptr):_ptr(ptr){}~SmartPtr(){cout << "delete[]" << _ptr << endl;delete[] _ptr;}//重载运算符,模拟指针的行为,方便访问资源T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T& operator[](size_t i){return _ptr[i];}
private:T* _ptr;
};void Func()
{//这里使用RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序就简单多了 SmartPtr<int> sp1 = new int[10];SmartPtr<int> sp2 = new int[10];SmartPtr<pair<int, int>> sp3 = new pair<int, int>[10];int len, time;cin >> len >> time;cout << Divide(len, time) << endl;sp1[5] = 20;sp3->first = 1;sp3->second = 2;cout << sp1[5] << endl;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

运行结果：

三、C++标准库智能指针的使⽤

• C++ 标准库中的智能指针都在<memory>这个头⽂件下⾯，智能指针有好⼏种，除了weak_ptr外他们都符合RAII和像指针⼀样访问的⾏为，原理上⽽⾔主要是解决智能指针拷⻉时的思路不同。由于智能指针设计的特性，拷贝时只能采用浅拷贝的方式，就会出现浅拷贝问题，导致多次析构资源。
  因此 C++ 标准库中设计的几种智能指针都是为了解决这个拷贝的问题。
  

• auto_ptr 是 C++98 时设计出来的智能指针，他的特点是拷⻉时把被拷⻉对象的资源的管理权转移给拷⻉对象，这是⼀个⾮常糟糕的设计，因为他会导致被拷⻉对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使⽤auto_ptr。

• unique_ptr 是 C++11 设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点是不⽀持拷⻉，只⽀持移动。如果不需要拷⻉的场景就⾮常建议使⽤他。

• shared_ptr 是 C++11 设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是⽀持拷⻉，也⽀持移动。如果需要拷⻉的场景就需要使⽤他了。底层是⽤引⽤计数的⽅式实现的。

• weak_ptr 是 C++11 设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上⾯的智能指针，他不⽀持RAII，也就意味着不能⽤它直接管理资源，weak_ptr的产⽣本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引⽤导致内存泄漏的问题。

• 智能指针析构时默认是进⾏delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针⽀持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调⽤对象，这个可调⽤对象中实现你想要的释放资源的⽅式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调⽤删除器去释放资源。因为new[ ]经常使⽤，所以为了简洁⼀点，unique_ptr和shared_ptr都特化了⼀份[ ]的版本，这样就可以管理new[ ]的资源。

unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]); 
shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 

• shared_ptr 除了⽀持⽤指向资源的指针构造，还⽀持 make_shared ⽤初始化资源对象的值直接构造。

template <class T, class... Args> shared_ptr<T> 
make_shared(Args&&... args);

• shared_ptr 和 unique_ptr 都⽀持了 operator bool 的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。

• shared_ptr 和 unique_ptr 构造函数都得使⽤ explicit 修饰，防⽌普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

struct Date
{int _year;int _month;int _day;Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}~Date(){cout << "~Date()" << endl;}
};int main()
{//拷贝时,管理权限转移,ap1对象悬空auto_ptr<Date> ap1(new Date);auto_ptr<Date> ap2(ap1);//ap1->_year++; //err:空指针访问//unique_ptr不支持拷贝,支持移动,但是移动后up1也悬空unique_ptr<Date> up1(new Date);//unique_ptr<Date> up2(up1);//errunique_ptr<Date> up3(move(up1));//shared_ptr支持拷贝，也支持移动shared_ptr<Date> sp1(new Date);shared_ptr<Date> sp2(sp1);shared_ptr<Date> sp3(sp2);cout << sp1.use_count() << endl;//引用计数sp1->_year++;cout << sp1->_year << endl;cout << sp2->_year << endl;cout << sp3->_year << endl;return 0;
}

运行结果：

template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{delete[] ptr;
}template<class T>
class DeleteArray
{
public:void operator()(T* ptr){delete[] ptr;}
};class Fclose
{
public:void operator()(FILE* ptr){cout << "fclose: " << ptr << endl;fclose(ptr);}
};int main()
{//这样使用程序会崩溃//unique_ptr<Date> up1(new Date[10]);  //err//shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);  //err//解决方案1//因为new[]经常使用,所以unique_ptr和shared_ptr实现一个特化版本,//这个特化版本析构时用delete[]unique_ptr<Date[]> up1(new Date[10]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[10]);//解决方案2//仿函数对象做删除器std::unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up(new Date[5], DeleteArray<Date>());//unique和shared_ptr支持删除器的方式有所不同//unique的删除器作为模版参数,shared_ptr的删除器作为构造函数参数unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());//函数指针做删除器unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);//lambda表达式做删除器auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);//实现其他资源管理器的删除器shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr){cout << "fclose: " << ptr << endl;fclose(ptr);});return 0;
}

运行结果：

#include<iostream>
#include<memory>
using namespace std;int main()
{shared_ptr<Date> sp1(new Date(2025, 10, 1));shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2025, 10, 1);auto sp3 = make_shared<Date>(2025, 10, 1);shared_ptr<Date> sp4;if (sp1)cout << "sp1 is not nullptr" << endl;if (!sp4)cout << "sp4 is nullptr" << endl;return 0;
}

运行结果：

四、智能指针的原理

• 下⾯我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核⼼功能，这两个智能指针的实现⽐较简单，了解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷⻉时转移资源管理权给被拷⻉对象，这种思路是不被认可的，也不建议使⽤。unique_ptr的思路是不⽀持拷⻉。

• 这里重点看shared_ptr的设计，尤其是引⽤计数的设计，由于⼀份资源就需要⼀个引⽤计数，所以引⽤计数⽤静态成员的⽅式是⽆法实现的，要使⽤堆上动态开辟的⽅式，构造智能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引⽤计数出来。多个shared_ptr指向资源时就 ++ 引⽤计数，shared_ptr对象析构时就 - - 引⽤计数，引⽤计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀个管理资源的对象，则析构资源。

• 引用计数的本质就是一块资源有多少个智能指针对象管理。
  

1、auto_ptr的实现

#include<iostream>
#include<functional>
using namespace std;namespace zsy
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){cout << "普通构造" << endl;}auto_ptr(auto_ptr<T>& ap):_ptr(ap._ptr){//管理权转移ap._ptr = nullptr;cout << "拷贝构造" << endl;}auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap){//检测是否自己为自己赋值if (this != &ap){//释放当前对象中资源if (_ptr)delete _ptr;//转移ap中资源到当前对象中_ptr = ap._ptr;ap._ptr = nullptr;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}//像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}int main()
{zsy::auto_ptr<Date> ap1(new Date);//构造zsy::auto_ptr<Date> ap2(ap1);//拷贝构造, sp1被悬空zsy::auto_ptr<Date> ap3(new Date);ap3 = ap2;//拷贝赋值,sp2被悬空ap3->_year++;return 0;
}

由于auto_ptr设计的拷贝赋值是浅拷贝，

2、unique_ptr的实现

namespace zsy
{template<class T>class unique_ptr{public:explicit unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp) = delete;//禁用拷贝构造unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;//禁用拷贝赋值//移动构造unique_ptr(unique_ptr<T>&& sp):_ptr(sp._ptr){sp._ptr = nullptr;}//移动赋值unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>&& sp){//检查是否自我赋值if (this != &sp){delete _ptr;_ptr = sp._ptr;sp._ptr = nullptr;}return *this;}~unique_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}int main()
{zsy::unique_ptr<int> up1(new int(10));//构造zsy::unique_ptr<int> up2 = move(up1);//移动构造: up1的资源转移给up2，up1变为nullptrzsy::unique_ptr<int> up3(new int(20));up3 = move(up2);//移动赋值: up3释放原有资源，接收up2的资源，up2变为nullptrreturn 0;
}

3、shared_ptr的实现

namespace zsy
{template<class T>class shared_ptr{public://explicit: 禁止隐式类型转换explicit shared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr), _pcount(new int(1)){}template<class D>shared_ptr(T* ptr, D del):_ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _del(del){}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount){(*_pcount)++;}void release(){//最后一个管理的对象，释放资源 if (--(*_pcount) == 0){_del(_ptr);delete _pcount;_ptr = nullptr;_pcount = nullptr;}}shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr){release();_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;++(*_pcount);_del = sp._del;}return *this;}~shared_ptr(){release();}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}int use_count() const{return *_pcount;}T* get() const{return _ptr;}private:T* _ptr;int* _pcount;//删除器delfunction<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };};
}int main()
{zsy::shared_ptr<Date> sp1(new Date);//构造zsy::shared_ptr<Date> sp2(sp1);//拷贝构造zsy::shared_ptr<Date> sp3(new Date);sp3 = sp2;//拷贝赋值sp1->_year++;sp2->_year++;sp3->_year++;return 0;
}

4、weak_ptr的实现

namespace zsy
{template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr(){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp.get()){}weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){_ptr = sp.get();return *this;}private:T* _ptr = nullptr;};
}

五、shared_ptr的循环引⽤问题

• shared_ptr⼤多数情况下管理资源⾮常合适，⽀持RAII，也⽀持拷⻉。但是在循环引⽤的场景下会导致资源没得到释放，造成内存泄漏，使⽤weak_ptr可以解决这种问题。

• 如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引⽤计数减到1

1. 右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。

2. _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。

3. 左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释
   放了。

4. _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
   

• ⾄此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引⽤，谁都不会释放就形成了循环引⽤，导致内存泄漏

• 把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引⽤计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引⽤，解决了这⾥的问题

#include<iostream>struct ListNode
{int _data;//std::shared_ptr<ListNode> _prev;//std::shared_ptr<ListNode> _next;//这里改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时不增加n2的引用计数，//不参与资源释放的管理，就不会形成循环引用了 std::weak_ptr<ListNode> _prev;std::weak_ptr<ListNode> _next;~ListNode(){cout << "~ListNode()" << endl;}
};int main()
{std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;//循环引用 -- 内存泄露 n1->_next = n2;n2->_prev = n1;cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;//weak_ptr不支持管理资源，不支持RAII //weak_ptr是专门绑定shared_ptr，不增加他的引用计数，作为⼀些场景的辅助管理 std::weak_ptr<ListNode> wp(n1);return 0;
}

运行结果：

• weak_ptr不⽀持RAII，也不⽀持访问资源，所以我们看⽂档发现weak_ptr构造时不⽀持绑定到资源，只⽀持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引⽤计数，那么就可以解决上述的循环引⽤问题。

• weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr⽀持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引⽤计数，weak_ptr想访问资源时，可以调⽤lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。

#include<iostream>int main()
{std::shared_ptr<int> sp1(new int(1));std::shared_ptr<int> sp2(sp1);std::weak_ptr<int> wp(sp1);cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl << endl;//sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了sp1 = make_shared<int>(2);cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl << endl;sp2 = make_shared<int>(3);cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl << endl;std::shared_ptr<int> sp3 = wp.lock();if (sp3){cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;*sp3 += 6;cout << *sp3 << endl;}else{cout << "weak_ptr已过期，无法获取有效指针" << endl;}return 0;
}

运行结果：

六、shared_ptr的线程安全问题

• shared_ptr的引⽤计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进⾏shared_ptr的拷⻉析构时会访问修改引⽤计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引⽤计数是需要加锁或者原⼦操作保证线程安全的。

• shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该有外层使⽤shared_ptr的⼈进⾏线程安全的控制。

• 下⾯的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr引⽤计数从int*改成atomic*就可以保证引⽤计数的线程安全问题，或者使⽤互斥锁加锁也可以。

#include<mutex>
#include<thread>struct AA
{int _a1 = 0;int _a2 = 0;~AA(){cout << "~AA()" << endl;}
};int main()
{zsy::shared_ptr<AA> p(new AA);const size_t n = 100000;mutex mtx;auto func = [&](){for (size_t i = 0; i < n; i++){//这里智能指针拷贝会++计数zsy::shared_ptr<AA> copy(p);{unique_lock<mutex> lt(mtx);copy->_a1++;copy->_a2++;}}};thread t1(func);thread t2(func);t1.join();t2.join();cout << p->_a1 << endl;cout << p->_a2 << endl;cout << p.use_count() << endl;return 0;
}

运行结果：

七、C++11和boost中智能指针的关系

• Boost库是为C++语⾔标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建⽴的初衷之⼀就是为C++的标准化⼯作提供可供参考的实现，Boost社区的发起⼈Dawes本⼈就是C++标准委员会的成员之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个⽅向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。

• C++98 中产⽣了第⼀个智能指针auto_ptr。

• C++ boost给出了更实⽤的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等。

• C++ TR1，引⼊了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。

• C++ 11，引⼊了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

八、内存泄漏

1、什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

内存泄漏： 内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使⽤的内存，⼀般是忘记释放或者发⽣异常释放程序未能执⾏导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，⽽是应⽤程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因⽽造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害： 普通程序运⾏⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不⼤，进程正常结束，⻚表的映射关系解除，物理内存也可以释放。⻓期运⾏的程序出现内存泄漏，影响很⼤，如操作系统、后台服务、⻓时间运⾏的客⼾端等等，不断出现内存泄漏会导致可⽤内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。

int main()
{//申请一个1G未释放,这个程序多次运行也没啥危害//因为程序马上就结束,进程结束各种资源也就回收了char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << (void*)ptr << endl;return 0;
}

2、如何检测内存泄漏

• linux下内存泄漏检测：linux下⼏款内存泄漏检测⼯具

• windows下使⽤第三⽅⼯具：windows下的内存泄露检测⼯具VLD使⽤

3、如何避免内存泄漏

• ⼯程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记得匹配的去释放。ps：这是理想状态，如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要通过条智能指针来管理才有保证。

• 尽量使⽤智能指针来管理资源，如果⾃⼰场景⽐较特殊，采⽤RAII思想⾃⼰造个轮⼦管理。

• 定期使⽤内存泄漏⼯具检测，尤其是每次项⽬快上线前，不过有些⼯具不够靠谱，或者是收费。

• 总结⼀下：内存泄漏⾮常常⻅，解决⽅案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测⼯具。