C++ 智能指针 std::unique_ptr、std::shared_ptr、std::weak_ptr

1. std::unique_ptr、std::shared_ptr、std::weak_ptr的区别

C++ 智能指针是现代 C++（尤其是 C++11 以后）资源自动管理（RAII） 的核心工具之一。它主要用于自动管理动态内存（new 出来的对象），避免手动 delete 引发的内存泄漏或悬空指针问题。

📌 经验法则：

• 先用 unique_ptr，除非确实需要共享。
• 不要在容器中放原始裸指针。
• 如果 shared_ptr 出现循环引用，就用 weak_ptr。

💬 「独占用 unique_ptr，共享用 shared_ptr，观察用 weak_ptr。」

1.1 设计目的区别

三种智能指针的主要类型及核心区别

智能指针	头文件	所有权模型	使用场景	是否可共享	是否可转移	是否允许空	常见误区
std::unique_ptr<T>	<memory>	独占所有权	资源唯一拥有者（如工厂、资源管理类）	❌ 否	✅ 可通过 std::move 转移	✅	不能复制，只能移动
std::shared_ptr<T>	<memory>	共享所有权（引用计数）	多个对象需共享同一资源（如图节点、缓存）	✅ 是	✅	✅	循环引用会导致内存泄漏
std::weak_ptr<T>	<memory>	弱引用（不计数）	打破 shared_ptr 循环引用，或非拥有观察者	✅（依赖 shared_ptr）	❌	✅	使用前必须 lock()

核心思想与使用意图

指针类型	设计目的	类比理解
unique_ptr	资源由单个对象独占管理。生命周期严格定义。	「唯一所有者」——像独居房主，别人不能进。
shared_ptr	多个对象共同使用同一资源，由引用计数控制释放时机。	「合租房」——最后一个人搬走时才退房。
weak_ptr	避免循环引用或监控资源是否还存在。	「访客」——只看房，不拥有。

性能与选择建议

需求	建议指针
资源唯一（默认情况）	unique_ptr ✅
多个模块需共享资源	shared_ptr
避免循环引用或仅做观察	weak_ptr
原始指针管理复杂资源	❌ 避免，优先智能指针

1.2 与原始指针区别

项目	原始指针 T*	智能指针（如 unique_ptr）
内存释放	手动 delete	自动析构
所有权	无	明确所有权
拷贝语义	浅拷贝	根据类型控制（禁止或共享）
异常安全	容易泄漏	RAII 自动管理
性能	最快	有轻微开销（shared_ptr）

1.3 常见陷阱

错误用法	原因与后果
用 shared_ptr 管理同一裸指针两次	会导致重复释放
从 unique_ptr 获取裸指针长期保存	生命周期不安全
shared_ptr 相互引用	循环引用，内存不释放
混用 new 和 make_shared	性能和安全问题，推荐 make_shared / make_unique

2. 典型使用场景举例

2.1 std::unique_ptr —— 独占所有权（推荐默认选择）

#include <memory>
#include <iostream>struct Data { Data() { std::cout << "create\n"; }~Data() { std::cout << "destroy\n"; }
};void process(std::unique_ptr<Data> p) {std::cout << "processing...\n";
}int main() {auto ptr = std::make_unique<Data>();process(std::move(ptr));  // 所有权转移// 此处 ptr 已为空
}

✅ 优点：

• 无额外引用计数开销
• 最快
• 最安全（资源唯一）

🚫 缺点：不能共享，不能复制

2.2 std::shared_ptr —— 多个对象共享资源

#include <memory>
#include <iostream>struct Node {std::shared_ptr<Node> next;~Node() { std::cout << "Node destroyed\n"; }
};int main() {auto a = std::make_shared<Node>();auto b = std::make_shared<Node>();a->next = b;b->next = a; // ❌ 循环引用，永不释放！
}

✅ 优点：

• 方便多个模块/对象共享同一资源

🚫 缺点：

• 引用计数性能开销
• 容易出现循环引用 → 内存泄漏
• 构造、析构相对较慢

🧩 解决循环引用：

struct Node {std::weak_ptr<Node> next; // 改为 weak_ptr
};

2.3 std::weak_ptr —— 弱引用（观察者或防循环）

#include <memory>
#include <iostream>struct A {std::shared_ptr<A> child;std::weak_ptr<A> parent; // 弱引用避免循环
};int main() {auto root = std::make_shared<A>();auto child = std::make_shared<A>();root->child = child;child->parent = root; // 不增加引用计数
}

✅ 优点：

• 可观察但不控制生命周期
• 打破 shared_ptr 循环引用

🚫 缺点：访问前要 lock() 检查有效性：

if (auto p = child->parent.lock()) {// p 有效
}