C++11 智能指针

在 C++ 中，智能指针（Smart Pointers）是用来自动管理动态分配内存的工具，可以减少内存泄漏的风险。C++标准库提供了几种常见的智能指针，包括 std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr，它们各自有不同的特性和用途。下面我们将详细对比解释这些智能指针。

std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占性的智能指针，意味着同一时刻只有一个 unique_ptr 可以拥有某个对象的所有权。它遵循 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则，当 unique_ptr 被销毁时，它所管理的对象会被自动释放。
其特点：

• 独占所有权：同一个对象只能被一个 unique_ptr 拥有。
• 不能拷贝：unique_ptr 不能被复制，因为它拥有唯一的所有权。尝试拷贝会导致编译错误。
• 支持移动语义：可以通过移动构造函数或者移动赋值操作符将所有权从一个 unique_ptr 移动到另一个。（？）
• 自动释放内存：当 unique_ptr 被销毁时，它会自动释放所管理的对象。
  • 注意结合 std:: make_unique 和 std:: move 使用！

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass(int val) : value(val) {
        std::cout << "MyClass constructed with value: " << value << std::endl;
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destructed with value: " << value << std::endl;
    }
    void showValue() const {
        std::cout << "Value: " << value << std::endl;
    }

private:
    int value;
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_unique<MyClass>(10);  // ptr1 拥有 MyClass 的所有权
    std::cout << "Moving ownership to ptr2..." << std::endl;
    std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1);  // 转移所有权
    
    // ptr1 现在为空，不能再访问对象
    if (ptr1) {
        ptr1->showValue();
    } else {
        std::cout << "ptr1 is now null." << std::endl;
    }

    // ptr2 现在拥有 MyClass 对象的所有权
    ptr2->showValue();

    return 0;
}

std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种共享所有权的智能指针，多个 shared_ptr 可以共享同一个对象的所有权。只有当最后一个 shared_ptr 被销毁时，所管理的对象才会被释放。
特点：

• 共享所有权：多个 shared_ptr 可以指向同一个对象，每个 shared_ptr 都会增加一个引用计数。
• 引用计数：shared_ptr 会跟踪有多少个 shared_ptr 指向同一个对象，当引用计数归零时，对象会被自动销毁。
• 拷贝与赋值：shared_ptr 支持拷贝和赋值操作，每次拷贝都会增加引用计数。
• 性能开销：由于引用计数的管理，shared_ptr 会带来额外的性能开销（例如原子操作）。

释放需要手动吗？

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass(int x) : x_(x) {
        std::cout << "MyClass(" << x_ << ") constructed\n";
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass(" << x_ << ") destructed\n";
    }

private:
    int x_;
};

int main() {
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>(10);
    {
        std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1; // 引用计数增加
        std::cout << "Inside inner scope\n";
    } // ptr2 离开作用域，引用计数减少
    std::cout << "Outside inner scope\n";
    return 0;
}

说明：

• ptr1 和 ptr2 共享对同一个 MyClass 对象的所有权。
• 当 ptr2 离开作用域时，它的引用计数减少，但对象不会立即销毁，因为 ptr1 仍然指向它。
• 当 ptr1 离开作用域时，引用计数归零，MyClass 对象被销毁。
  问题：shared_ptr 引起循环计数问题：

#include <iostream>
#include <memory>

class A;

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr;
    B() {
        std::cout << "B constructed\n";
    }
    ~B() {
        std::cout << "B destructed\n";
    }
};

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    A() {
        std::cout << "A constructed\n";
    }
    ~A() {
        std::cout << "A destructed\n";
    }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
        std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
        
        a->b_ptr = b; // A -> B
        b->a_ptr = a; // B -> A

        // A 和 B 形成循环引用，内存无法释放
    } // 这里的 a 和 b 应该销毁，但因为循环引用，它们的引用计数永远不为 0

    std::cout << "End of scope\n";
    return 0;
}

std::weak_ptr

std::weak_ptr 是一种弱引用的智能指针，它与 shared_ptr 配合使用，用来避免循环引用。weak_ptr 不会改变引用计数，它只提供对 shared_ptr 所管理对象的访问。如果对象被销毁，weak_ptr 就不再有效。
特点：

• 不影响引用计数：weak_ptr 不会增加或减少引用计数，它只是一个“观察者”。
• 用于打破循环引用：weak_ptr 主要用于解决 shared_ptr 引起的循环引用问题。例如，当两个对象通过 shared_ptr 相互引用时，会导致内存无法释放。使用 weak_ptr 可以避免这种情况。
• 转换为 shared_ptr：weak_ptr 可以通过 lock() 方法转换为 shared_ptr。如果对象已经被销毁，lock() 返回一个空的 shared_ptr。
  使用 weak_ptr 打破循环引用：

#include <iostream>
#include <memory>

class A;

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr;  // 使用 weak_ptr 避免循环引用
    B() {
        std::cout << "B constructed\n";
    }
    ~B() {
        std::cout << "B destructed\n";
    }
};

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    A() {
        std::cout << "A constructed\n";
    }
    ~A() {
        std::cout << "A destructed\n";
    }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
        std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
        
        a->b_ptr = b; // A -> B
        b->a_ptr = a; // B -> A，但这里是 weak_ptr，避免了循环引用

        // 由于没有循环引用，内存可以正确释放
    } // A 和 B 都会被销毁

    std::cout << "End of scope\n";
    return 0;
}

对比总结

特性	std::unique_ptr	std::shared_ptr	std::weak_ptr
所有权管理	独占所有权	共享所有权	不拥有对象，辅助管理共享所有权
拷贝行为	不支持拷贝，只能移动	支持拷贝，增加引用计数	不影响引用计数，只是弱引用
引用计数	无引用计数	有引用计数，自动销毁对象	无引用计数，仅观察对象是否仍存在
适用场景	需要独占所有权，简单的对象管理	需要共享所有权的复杂对象管理	解决 shared_ptr 引起的循环引用问题
性能开销	最小，只有对象本身的管理	稍大，包含引用计数的管理开销	极小，仅提供观察者功能