笔记

深浅模式

智能指针总结 ​

背后的设计思想 ​

智能指针的目的主要是帮助我们释放内存，以防止我们忘记释放内存时造成内存泄露。

C++智能指针的实现机制 ​

智能指针的实现基于 RAII（Resource Acquisition Is Initialization， 资源获取即初始化） 原则，通过封装原始指针并利用C++的析构函数、引用计数和操作符重载等特性，实现内存的自动管理。以下是具体实现原理及关键技术的分析：

核心实现技术 ​

  1. 析构函数与RAII
    智能指针在构造时获取资源（如new分配的内存），在析构函数中自动释放资源。当智能指针对象离开作用域时，析构函数被调用，确保内存安全释放，避免泄漏。

    cpp
    template <typename T>
class SmartPointer {
public:
    ~SmartPointer() { delete mPointer; }  // 析构时自动释放内存
private:
    T* mPointer;
};

  2. 引用计数（仅限shared_ptr）
    • std::shared_ptr通过引用计数跟踪资源被引用的次数，每个shared_ptr的拷贝或销毁会增减计数。当计数归零时，调用delete释放内存。
    • 引用计数通常存储在堆上的控制块中，所有shared_ptr实例共享此计数。

  3. 操作符重载
    重载->和*运算符，使智能指针的行为与原始指针一致，同时隐藏内部管理逻辑：

    cpp
    T* operator->() { return mPointer; }  // 访问成员
T& operator*() { return *mPointer; }  // 解引用

不同类型智能指针的实现差异 ​

  1. std::unique_ptr：独占所有权
    • 实现机制：通过禁用拷贝构造函数和赋值运算符（声明为delete），仅允许移动语义（std::move）转移所有权。
    • 内存开销：与原始指针大小相同（无额外控制块），性能接近裸指针。

  2. std::shared_ptr：共享所有权
    • 控制块结构：包含引用计数和弱引用计数，通常与对象内存分离（除非使用std::make_shared合并分配）。
    • 线程安全：引用计数的增减是原子操作，但指向的资源访问需额外同步。

  3. std::weak_ptr：解决循环引用
    • 弱引用机制：不增加引用计数，仅通过lock()方法获取临时shared_ptr访问资源，避免shared_ptr相互引用导致的内存泄漏。

    cpp
    class A { std::shared_ptr<B> b_ptr; };
class B { std::weak_ptr<A> a_ptr; };  // 使用weak_ptr打破循环

实现中的关键优化与陷阱 ​

  1. 性能优化
    • std::make_shared：合并对象内存与控制块分配，减少内存碎片并提升缓存效率。
    • 自定义删除器：允许指定释放逻辑（如fclose释放文件句柄），扩展资源管理范围。

  2. 常见陷阱
    • 循环引用：必须用weak_ptr解决，否则导致内存泄漏。
    • 原始指针混用：避免将同一原始指针交给多个智能指针，可能引发重复释放（如int* p = new int; shared_ptr<int> a(p); shared_ptr<int> b(p);）。
    • 多线程安全：shared_ptr的引用计数是线程安全的，但资源访问需额外同步机制。

现代智能指针的演进 ​

• 弃用auto_ptr：因其所有权转移的隐式行为（如赋值操作后原指针变为nullptr），易引发难以排查的Bug，C++11后由unique_ptr替代。
• 移动语义支持：C++11引入移动语义后，unique_ptr通过std::move显式转移所有权，代码意图更清晰。

总结 ​

智能指针的实现通过RAII、引用计数和操作符重载，提供了安全且高效的内存管理方案。unique_ptr适用于独占资源，shared_ptr/weak_ptr用于共享资源并解决循环引用。开发者需注意避免混用原始指针和循环引用问题，同时优先使用make_shared/make_unique以优化性能。

auto_ptr为什么被废弃 ​

它是C++ 98时代的智能指针，具有unique_ptr的一部分特性。它不能保存在容器中，也不支持从函数中返回，在使用过程中也存在一些由于误用导致的风险。

cpp
auto_ptr<string> sp1(new string("Hello CPP"));
auto_ptr<string> sp2(sp1);  //会将sp1置空，如果后续使用sp1会引发程序错误

虽然auto_ptr和unique_ptr都是独占式的智能指针，但是unique_ptr遇到这种情况就会直接报错，程序在拷贝赋值那一句就无法成功编译，从一定程度上保证了程序的健壮性。

auto_ptr被废弃的主要原因就是设计的不太好，容易被误用而导致程序崩溃。所以C++ 11启用了新的独占式智能指针unique_ptr来取代它，C++ 11明确表示不建议再使用auto_ptr。

智能指针的选择 ​

  • 如果程序要使用多个指针来指向同一个对象，那么没办法只能选择shared_ptr；
  • 除了第一种情况，其他情况都建议使用unique_ptr。