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C++：智能指针

news 2025/8/18 9:16:54

C++在用引用取缔掉指针的同时，模板的引入带给了指针新的发挥空间
智能指针简单的来说就是带有不同特性和内存管理的指针模板

unique_ptr
1.不能有多个对象指向一块内存
2.对象释放时内部指针指向地址也随之释放
3.对象内数据只能通过接口更改绑定
4.对象只能接收右值或者将亡值
shared_ptr
1.可以有多个指针对象指向一块地址
2.使用一块堆区空间维护一块地址被指向的次数
3.当指向一个地址的指针数量变为0时清除这块空间
weak_ptr
和shared_ptr搭配使用解决了循环引用问题

首先unique_ptr实现起来其实很简单，只需要对赋值函数（=运算符重载）和拷贝构造函数等这些利用对象创建新的对象的函数做出修改即可，当然析构函数部分的释放也是要注意的。

template<typename T>
class unique_ptr{T*ptr;
public:unique_ptr(T*p=nullptr):ptr(p){}unique_ptr(unique_ptr&&other) noexcept:ptr(other.release()){other.ptr=nullptr;}unique_ptr& operator=(unique_ptr&&other) noexcept{if(other.ptr!=this->ptr){change(other.release());}return *this;}T*get()const{return ptr;}T& operator*() const{return *ptr;}T* operator->() const{return ptr;}explicit operator bool() const{return ptr!=nullptr;}~unique_ptr(){delete ptr;ptr=nullptr;}T*release(){T*tmp=this->ptr;this->ptr=nullptr;return tmp;}void change(T*cur=nullptr){if(cur!=ptr){delete ptr;ptr=cur;}}unique_ptr(const unique_ptr&)=delete;unique_ptr& operator=(const unique_ptr&)=delete;
};

然后看shared_ptr它的话要比unique_ptr要自由的多实现起来也很简单，只需要多一步计数操作即可。

template<typename T>
class shared_ptr{T*ptr;int* cnt;
public:shared_ptr(T*p=nullptr):ptr(p),cnt(new int(1)){}shared_ptr(const shared_ptr&other) noexcept:ptr(other.ptr),cnt(other.cnt){(*cnt)++;}shared_ptr& operator=(const shared_ptr&other) noexcept{if(this!=&other){release();this->ptr=other.ptr;this->cnt=other.cnt;(*cnt)++;}return *this;}T*get()const{return ptr;}T& operator*() const{return *ptr;}T* operator->() const{return ptr;}explicit operator bool() const{return ptr!=nullptr;}~unique_ptr(){release();}void release(){if(cnt&&--(*cnt)==0){delete cnt;delete ptr;}ptr=nullptr;cnt=nullptr;}
};

但是注意shared_ptr的计数可能会带来一个问题：循环引用
看下面代码其实很好理解，就是循环指向造成计数到不了0从而释放不了对象。

class B;
class A{
public:shared_ptr<B>aptr;
};
class B{
public:shared_ptr<A>bptr;
};
int main(){shared_ptr<A>a=new A;shared_ptr<B>b=new B;a->aptr=b;b->bptr=a;
}

解决方式：引入了weak_ptr搭配shared_ptr使用，weak_ptr是对对象的一种弱引用，它不会增加对象的use_count，weak_ptr和shared_ptr可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给weak_ptr，weak_ptr也可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。

weak_ptr指针通常不单独使用，只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用。将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放。
weak_ptr并没有重载operator->和operator *操作符，因此不可直接通过weak_ptr使用对象，典型的用法是调用其lock函数来获得shared_ptr示例，进而访问原始对象。
需要注意weak_ptr不维护资源的释放，因为需要避免资源被释放两次，因此weak_ptr常用在为生命周期一致的shared_ptr赋值

template <typename T>
class MySharedPtr;template <typename T>
class MyWeakPtr;template <typename T>
class MySharedPtr {
private:T* ptr;int* refCount;int* weakCount;public:explicit MySharedPtr(T* p = nullptr) : ptr(p), refCount(new int(1)), weakCount(new int(0)) {}MySharedPtr(const MySharedPtr& other) : ptr(other.ptr), refCount(other.refCount), weakCount(other.weakCount) {(*refCount)++;}~MySharedPtr() {release();}int use_count() const {return (refCount ? *refCount : 0);}T* get() const {return ptr;}T& operator*() const {return *ptr;}T* operator->() const {return ptr;}MyWeakPtr<T> weak_ptr() {(*weakCount)++;return MyWeakPtr<T>(this->ptr, this->refCount, this->weakCount);}MySharedPtr& operator=(const MySharedPtr& other) {if (this != &other) {release();ptr = other.ptr;refCount = other.refCount;weakCount = other.weakCount;(*refCount)++;}return *this;}private:void release() {if (refCount) {(*refCount)--;if (*refCount == 0) {delete ptr;delete refCount;if (*weakCount == 0) {delete weakCount;}}}}friend class MyWeakPtr<T>;
};template <typename T>
class MyWeakPtr {
private:T* ptr;int* refCount;int* weakCount;public:MyWeakPtr() : ptr(nullptr), refCount(nullptr), weakCount(nullptr) {}MyWeakPtr(T* p, int* rc, int* wc) : ptr(p), refCount(rc), weakCount(wc) {}MyWeakPtr(const MyWeakPtr& other) : ptr(other.ptr), refCount(other.refCount), weakCount(other.weakCount) {(*weakCount)++;}~MyWeakPtr() {release();}MySharedPtr<T> lock() {if (expired()) {return MySharedPtr<T>();}(*refCount)++;return MySharedPtr<T>(ptr, refCount, weakCount);}MyWeakPtr& operator=(const MyWeakPtr& other) {if (this != &other) {release();ptr = other.ptr;refCount = other.refCount;weakCount = other.weakCount;(*weakCount)++;}return *this;}bool expired() const {return (refCount == nullptr || *refCount == 0);}
private:void release() {if (weakCount) {(*weakCount)--;if (*weakCount == 0) {delete weakCount;}}}
};

shared_ptr和weak_ptr可以互相构造，看下面的代码就知道它们是如何解决循环引用的情况

class B;
class A{
public:MYShared_Ptr<B>aptr;
};
class B{
public:MYWeak_Ptr<A>bptr;
};
int main(){MYShared_Ptr<A>a=new A;MYShared_Ptr<B>b=new B;a->aptr=b.lock();b->bptr=a;
}