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智能指针：C++内存管理的利器

news 2025/8/16 17:20:59

为什么需要智能指针？

内存泄漏的危害

智能指针的原理与使用

C++中的智能指针类型

线程安全问题

自定义删除器

C++11与Boost的关系

总结

`为什么需要智能指针？`

在C++中，手动管理内存一直是一个容易出错的问题。考虑以下代码：

void Func() {int* p1 = new int;int* p2 = new int;cout << div() << endl;  // 可能抛出异常delete p1;delete p2;
}

如果`div()`函数抛出异常，`delete`语句将不会被执行，导致内存泄漏。这就是智能指针要解决的问题。

`内存泄漏的危害`

内存泄漏是指程序未能释放不再使用的内存。长期运行的程序（如操作系统、后台服务）出现内存泄漏会导致： - 可用内存逐渐减少 - 程序响应变慢 - 最终可能导致系统崩溃

`智能指针的原理与使用`

智能指针基于RAII（Resource Acquisition Is Initialization）技术： - 在对象构造时获取资源 - 在对象生命周期内保持资源有效 - 在对象析构时自动释放资源

基本实现

template<class T>
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr) {}~SmartPtr() { if(_ptr) delete _ptr; }T& operator*() { return *_ptr; }T* operator->() { return _ptr; }private:T* _ptr;
};

`C++中的智能指针类型`

1. auto_ptr (C++98)

auto_ptr<int> sp1(new int);
auto_ptr<int> sp2(sp1);  // 管理权转移，sp1变为空

缺点：管理权转移语义不直观，已被弃用。

2. unique_ptr (C++11)

unique_ptr<int> sp1(new int);
// unique_ptr<int> sp2(sp1);  // 错误：不允许拷贝

特点： - 简单粗暴地禁止拷贝 - 轻量高效 - 可移动（使用std::move）

3. shared_ptr (C++11)

shared_ptr<int> sp1(new int);
shared_ptr<int> sp2(sp1);  // 引用计数增加

原理： - 使用引用计数管理资源 - 最后一个持有者负责释放资源 - 线程安全的引用计数操作

4. weak_ptr (C++11)

用于解决shared_ptr的循环引用问题：

struct ListNode {int _data;weak_ptr<ListNode> _prev;weak_ptr<ListNode> _next;
};

特点： - 不增加引用计数 - 需要转换为shared_ptr才能访问资源

`线程安全问题`

shared_ptr的线程安全分为两方面： 1. 引用计数的操作是线程安全的（内部加锁） 2. 管理的资源本身不是线程安全的，需要额外同步

`自定义删除器`

对于非new创建的资源，可以指定自定义删除器：

// 释放malloc分配的内存
shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), free);// 释放数组
shared_ptr<int> sp2(new int[10], [](int* p){ delete[] p; });// 关闭文件
shared_ptr<FILE> sp3(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* p){ fclose(p); });

`C++11与Boost的关系`

1. C++98引入了auto_ptr（设计不佳） 2. Boost库提出了scoped_ptr、shared_ptr和weak_ptr 3. C++11借鉴Boost设计，引入了： - unique_ptr（对应Boost的scoped_ptr） - shared_ptr - weak_ptr