C++20：make_shared_for_overwrite与make_unique_for_overwrite

C++20 引入了两个新的标准库函数： std::make_shared_for_overwrite 和 std::make_unique_for_overwrite，它们为智能指针的使用带来了更高效、更安全的内存管理方式。本文将详细介绍这两个函数的用途、优势以及它们在实际开发中的应用场景。

一、背景与动机

在 C++ 中，std::shared_ptr 和 std::unique_ptr 是两种常用的智能指针，用于自动管理动态分配的内存，避免内存泄漏。然而，在某些场景下，传统的智能指针构造方式可能会导致不必要的内存拷贝或初始化开销。例如，当你需要分配一块内存并随后覆盖其内容时，传统的构造方式可能会先对内存进行默认初始化，然后再覆盖，这显然是不必要的。

为了解决这一问题，C++20 引入了 std::make_shared_for_overwrite 和 std::make_unique_for_overwrite。这两个函数允许开发者在分配内存时跳过默认初始化步骤，直接获取一块未初始化的内存，从而提高效率。

二、std::make_shared_for_overwrite

2.1 语法与用法

std::make_shared_for_overwrite 用于创建一个 std::shared_ptr，它分配的内存不会进行默认初始化。其基本语法如下：

template <class T>
shared_ptr<T> make_shared_for_overwrite();

例如，如果你需要一个指向动态分配的 int 的 std::shared_ptr，并且你计划随后覆盖这块内存的内容，可以这样写：

auto ptr = std::make_shared_for_overwrite<int>();

此时，ptr 指向的内存是未初始化的，你可以直接使用 *ptr 来覆盖这块内存。

2.2 优势

• 性能优化：跳过默认初始化步骤，减少了不必要的内存操作，特别是在处理大型对象或频繁分配内存时，性能提升更为明显。
• 安全性：确保内存分配和管理由智能指针负责，避免了手动管理内存可能带来的风险，如内存泄漏或重复释放。

三、std::make_unique_for_overwrite

3.1 语法与用法

std::make_unique_for_overwrite 用于创建一个 std::unique_ptr，其分配的内存同样不会进行默认初始化。其基本语法如下：

template <class T>
unique_ptr<T> make_unique_for_overwrite();

使用示例如下：

auto ptr = std::make_unique_for_overwrite<int>();

与 std::make_shared_for_overwrite 类似，ptr 指向的内存是未初始化的，可以直接覆盖。

3.2 优势

• 性能优化：与 std::make_shared_for_overwrite 类似，跳过默认初始化步骤，减少内存操作开销。
• 独占所有权：std::unique_ptr 确保了对内存的独占所有权，避免了多线程环境下的潜在竞争问题。

四、应用场景

4.1 高性能计算

在高性能计算场景中，内存分配和初始化的效率至关重要。使用 std::make_shared_for_overwrite 和 std::make_unique_for_overwrite 可以显著减少不必要的内存操作，提升程序的整体性能。

4.2 大型对象管理

对于大型对象（如大型数组或复杂的数据结构），传统的智能指针构造方式可能会导致显著的性能开销。通过使用这两个函数，可以避免不必要的初始化，直接覆盖内存，从而提高效率。

4.3 实时系统

在实时系统中，内存分配和释放的效率直接影响系统的响应速度。使用这两个函数可以减少内存管理的开销，确保系统的实时性。

五、总结

C++20 的 std::make_shared_for_overwrite 和 std::make_unique_for_overwrite 为智能指针的使用带来了新的可能性。它们通过跳过默认初始化步骤，提高了内存分配的效率，同时保持了智能指针的安全性和易用性。在高性能计算、大型对象管理和实时系统等场景中，这两个函数能够显著提升程序的性能和响应速度。开发者可以根据具体需求选择合适的智能指针构造方式，充分发挥 C++20 的新特性带来的优势。