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【C++ 】智能指针：内存管理的 “自动导航仪”

news 来源：原创 2025/4/29 15:30:13

一、引入

二、智能指针的两大特性：

1、RAII

特点：

好处：

2、行为像指针

三、智能指针起初的缺陷：拷贝问题

四、几种智能指针的介绍。

1、C++98出现的智能指针——auto_ptr

auto_ptr解决上述拷贝构造的问题：

2、boost库

3、unique_ptr

4、shared_ptr

引用计数的实现：

赋值运算符的问题：（循环引用）

5、weak_ptr

特点：

解决循环引用问题：

五、C++智能指针的基本框架：

六、定制删除器，以及包装器的使用场景之一

七、内存泄漏：

1、什么是内存泄漏，内存泄漏的危害：

2、内存泄漏的分类

八、关于C++智能指针的相关代码：

std::unique_ptr

std::shared_ptr

std::weak_ptr

前些天发现了一个巨牛的人工智能学习网站，通俗易懂，风趣幽默，忍不住分享一下给大家

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一、引入

首先通过一个使用场景来引入智能指针，如下：
class HF
{
public:
	HF(int a, int b)
		:_a(a)
		,_b(b)
	{
		cout << "HF(int a, int b)" << endl;
	}
		;
	~HF()
	{
		cout << "~HF()" << endl;
	}
private:
	int _a = 0;
	int _b = 1;
};

void fun()
{
	HF* h1 = new HF(1, 1);
	HF* h2 = new HF(1, 1);
	HF* h3 = new HF(1, 1);
	delete h1;
	delete h2;
	delete h3;
}

int main()
{
	try
	{
		fun();
	}
	catch (exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
} 
这里有一个类HF，一个子函数fun，在fun里面new了三个HF对象，然后delete，正常情况下delete会先调用析构函数，然后再释放相应的资源：

二、智能指针的两大特性：

智能指针的两大特性：

1、RAII

2、行为像指针

1、RAII

是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

（通俗来讲，就是将资源交给一个类对象来管理，通过该类的构造函数交给对象。）

特点：

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。

好处：

（1）、不需要显式地释放资源，而是通过智能指针间接帮忙释放

（2）、采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效

2、行为像指针

智能指针实际也是一个类，要是行为像一个指针，即要重载解引用（*）,箭头（->）,甚至有时还要重载方括号（[ ]）。

三、智能指针起初的缺陷：拷贝问题

首先我们实现一个简易版智能指针：

new了一个日期类对象交给智能指针管理，智能指针对象存在期间，资源都是存在的，最后智能指针对象生命周期结束，调用析构函数释放，同时释放掉资源（delete）；
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;
};
struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10;
	cout << *sp1 << endl;
	SmartPtr<Date> sparray(new Date);
	// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
	// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
	sparray->_year = 2018;
	sparray->_month = 1;
	sparray->_day = 1;
	return 0;
}
但是当我们用对象sp1去拷贝构造sp2时：

此时就会报错：

原因在于我们没有实现拷贝构造，此时默认拷贝构造就是浅拷贝，这样两个对象的成员变量都会指向这份资源，最后调用析构函数时，就会对这份资源delete两次，从而造成野指针的问题。如何解决这个问题，在第四点进行介绍。

四、几种智能指针的介绍。

1、C++98出现的智能指针——auto_ptr

头文件：memory

具体信息可以查看官网文档。

auto_ptr解决上述拷贝构造的问题：

auto_ptr是直接将资源的管理权转移，用对象sp1去拷贝构造sp2，那么就会将sp1的资源的管理权交给sp2管理，而sp1被置空。

大致处理方法如下：拷贝后将sp1置空就行了：

注意，C++11的移动语义也是资源的转移，但和这里是不一样的，移动语义是针对将亡值去转移资源，而这里sp1不是将亡值。

这样做是有些问题的，这里资源转移后，sp1就悬空了，此时拷贝后就不能去访问sp1，否则就会出现空指针的问题，所以很多公司都禁止使用auto_ptr；

2、boost库

提到智能指针，就得提一下boost库，boost库是C++第三方库，里面就有智能指针，而C++的智能指针就是从这个库里面引入的，然后进行了略微修改。

3、unique_ptr

该智能指针解决拷贝构造的问题的方法就是：简单粗暴，禁止拷贝，适用于不需要拷贝的场景。

底层实际就是将拷贝构造给delete了：

同时，赋值运算符重载也要禁掉，默认生成的赋值运算符重载也是浅拷贝。

4、shared_ptr

当遇到需要拷贝构造的场景时，就需要使用shared_ptr，shared_ptr解决拷贝构造的问题的方法是：引用计数，去解决多次析构的问题。

引用计数的实现：

引用计数：记录当前有几个对象参与管理这个资源，在某个对象析构时，就将引用计数减1，当最后一个对象析构时才去释放资源。

要实现引用计数，就需要一份资源对应一个计数，有人会想到定义一个静态成员count，但实则不行，因为静态成员是属于整个类的，属于所有对象。管理一个资源的时候是可以解决的，但当第二个资源出现时，就不能适用了，因为不同资源之间的引用计数都是同一个静态成员变量，所以会相互影响。

实际上的实现如下：

增加一个成员变量*pcount，即指向引用计数的指针，在构造的时候（即资源来了），就new一个计数给该指针，在拷贝构造发生的时候，除了使两个对象指向同一个资源外，两个对象的引用计数也要指向同一个，并且要记得把引用计数++一下，在某个对象析构时，就将引用计数减1，然后判断是否为最后一个对象的析构，如果是的话就释放资源。

赋值运算符的问题：（循环引用）

shared_ptr虽然解决了拷贝构造的问题，但正因为引用计数的这样实现，又会造成赋值运算符重载后出现问题。

赋值运算符简单重载：

为了分析这里的缺陷，我们引入一个场景：双向链表的赋值：

这是双向链表的简单实现

因为会将链表资源交给智能指针管理，如下：

所以链表的定义中，成员next和prev的类型也应该是智能指针，不然在赋值的时候会出现类型不同的问题，正因为需要这样设计，问题就来了。

一般情况上述实现是没有问题的，但当执行下面两句代码后，问题就来了：

这是在链接两个节点，链接完后就会这样：

首先出现两个节点分别由n1和n2指向，此时两个节点的引用计数分别都是1，当执行n1->next = n2时，n2指向的节点的引用计数就会变成2；当执行n2->prve = n1时，n1指向的节点的引用计数就会变成2。

最后当析构链表时：

这样就形成了一个闭环，导致这两个节点的内存泄漏，这个问题也叫循环引用。当两个shared_ptr互相引用就会出现循环引用的问题。

5、weak_ptr

为了解决shared_ptr的循环引用问题，所以引入了weak_ptr。

特点：

weak_ptr的特点：没有引用计数，支持默认构造，构造函数的形参没有指针，因为该智能指针不参与资源管理，但自身成员变量会有一个指针，但会被置空，weak_ptr的重点在于拷贝构造和赋值。