C++ 中 `shared_ptr` 的用法及常见陷阱解析

shared_ptr 是 C++ 标准库（<memory> 头文件）中提供的一种智能指针，用于管理动态分配的内存。它通过引用计数（reference counting）来实现多个 shared_ptr 对象共享同一块内存的所有权。当最后一个 shared_ptr 被销毁时，内存会被自动释放。

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一、创建 shared_ptr 的几种方法

1. 使用 std::make_shared（推荐）

#include <memory>
#include <iostream>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
    std::cout << *sp << std::endl; // 输出 42
    return 0;
}

• 优点：效率高，一次性分配对象和控制块的内存。
• 适用场景：大多数情况下推荐使用。

2. 通过构造函数和原始指针

std::shared_ptr<int> sp(new int(42));

• 特点：显式地将原始指针交给 shared_ptr 管理。
• 注意：避免用同一原始指针初始化多个 shared_ptr，否则会导致双重释放（详见后文）。

3. 通过拷贝或赋值

std::shared_ptr<int> sp1 = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> sp2 = sp1; // 共享所有权，引用计数增 1

• 特点：多个 shared_ptr 共享同一块内存，引用计数自动管理。

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二、shared_ptr 的常见操作

1. 基本方法

• 获取引用计数：use_count() 返回当前共享该资源的 shared_ptr 数量。

  std::shared_ptr<int> sp1 = std::make_shared<int>(42);
  std::shared_ptr<int> sp2 = sp1;
  std::cout << sp1.use_count() << std::endl; // 输出 2
  

• 检查是否为空：if (!sp) 或 sp.get() == nullptr。
• 重置：reset() 清空或重新绑定。

  sp2.reset();            // 做了两步：将指向对象的指针设置为nullptr，引用计数减一
  sp2.reset(new int(40)); // 将指针指向新对象
  

2. 引用方法

• 解引用：使用 * 访问对象。

  std::cout << *sp1 << std::endl; // 输出 42
  

• 成员访问：对于类对象，使用 ->。

  struct MyClass { int value = 10; };
  std::shared_ptr<MyClass> sp = std::make_shared<MyClass>();
  std::cout << sp->value << std::endl; // 输出 10
  

• 获取原始指针：get() 返回底层指针（但不建议直接操作）。

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三、常见应用场景

1. 动态资源管理：

   • 替代手动 new 和 delete，确保内存自动释放。

     std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
     // 离开作用域时自动释放
     

2. 函数参数传递

   • 避免拷贝开销，同时确保资源安全管理。

     void process(std::shared_ptr<int> ptr) {
         std::cout << *ptr << std::endl;
     }
     

3. 工厂函数：

   • 返回动态分配的对象时，使用 shared_ptr 传递所有权。

     std::shared_ptr<int> create_resource() {
         return std::make_shared<int>(100);
     }
     

4. 管理第三方库资源

   • 使用自定义删除器管理非标准内存（如文件句柄、第三方库指针）。

     std::shared_ptr<FILE> file(
         fopen("test.txt", "r"),
         [](FILE* f) { if (f) fclose(f); }
     );
     

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四、使用注意事项

1. 双重释放问题 (Double Deletion)

问题描述

当用同一原始指针初始化多个独立的 shared_ptr 时，每个 shared_ptr 析构时都会尝试释放内存，导致未定义行为。（每个shared_ptr是独立的，引用计数器也是独立的，引用计数为0时，都尝试释放对象，从而导致双重释放的问题）

示例：

int* raw = new int(42);
std::shared_ptr<int> sp1(raw);
std::shared_ptr<int> sp2(raw); // 错误！双重释放

解决方法：

使用 make_shared 或通过拷贝共享：

std::shared_ptr<int> sp1 = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> sp2 = sp1; // 正确

2. 循环引用问题 (Circular Reference)

问题描述

当对象间通过 shared_ptr 互相引用时，引用计数无法降到 0，导致内存泄漏。（每个节点的引用计数都是2，超出作用域时，调用析构函数，引用计数减一，但无法变为0，导致内存无法释放）

示例

class Node {
public:
    std::shared_ptr<Node> next;
    ~Node() { std::cout << "Destructor" << std::endl; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Node> node1 = std::make_shared<Node>();
    std::shared_ptr<Node> node2 = std::make_shared<Node>();
    node1->next = node2;
    node2->next = node1; // 循环引用
    return 0; // 内存泄漏
}

解决方法

• 使用 std::weak_ptr 打破循环（引用计数都是1，超出作用域后，调用析构函数，引用计数变为0，释放内存）

  class Node {
  public:
      std::weak_ptr<Node> next; // 改为 weak_ptr
      ~Node() { std::cout << "Destructor" << std::endl; }
  };
  

3. 避免与原始指针混用

不要在 shared_ptr 之外直接操作原始指针（如通过 get() 获取后手动 delete），会导致未定义行为。

五、结语

shared_ptr 是 C++ 中管理动态内存的利器，通过引用计数实现资源共享和自动释放。掌握其创建方法和常见操作，能显著提升代码的安全性与可维护性。然而双重释放、循环引用等问题需要特别注意。通过合理使用 make_shared、weak_ptr ，可以有效规避这些陷阱。