智能指针 学习笔记

简介

智能指针是 C++ 用于解决野指针、悬空指针、内存泄漏等问题的内存管理工具，位于头文件 <memory> 中。

野指针：未初始化的指针，非 nullptr
悬空指针：指向已释放空间的指针

其中目前还在使用的 unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr 由 C++11 引入。C++14 后又有一些相关函数引入，如 std::make_unique() 等。C++20 开始支持 std::atomic<std::shared_ptr<T>>，可以原子地操作智能指针。

智能指针的特性：

• 遵循 RAII 的原则，在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源
• 在初始化时会进行空指针检查，避免产生野指针
• 使用引用计数管理资源，当计数器归零时自动释放资源，避免内存泄漏或悬空指针

std::unique_ptr

• 独占式智能指针，即每个资源同时最多只能被一个 unique_ptr 拥有
• 禁止拷贝，删除了拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，防止了多个对象同时拥有一个资源
• 支持移动语义，可以用移动语义转移资源的所有权，源指针将被置为 nullptr

std::shared_ptr

• 共享式智能指针，基于引用计数管理共享资源，常在多线程编程中使用
• 包含一个指向内存空间的指针和一个指向资源控制块的指针
• shared_ptr 不直接支持数组管理，如果指向数组需要自定义删除器

std::weak_ptr

• 弱引用智能指针，为辅助 shared_ptr 解决循环引用问题而引入

  循环引用：智能指针的指向关系形成一个环，导致程序结束时资源无法释放，造成内存泄漏
  弱引用：不会计入引用次数的引用，允许在必要时释放内存。通常是子结点对祖先结点的引用。

• 不具有普通指针的功能，不具有资源的访问权，不影响引用计数，只表明一种临时的所有权

• 可以由 shared_ptr 构造；在需要行使指针行为时需要先尝试调用 weak_ptr::lock() 创建一个 shared_ptr

std::auto_ptr

auto_ptr 是早期的独占式智能指针，自 C++98 出现，在 C++17 中已被移除。

auto_ptr 的拷贝语义会转移内存的所有权，使源指针悬空，这一特性不符合人的直觉，且在与 STL 容器配合时会带来风险。同时，auto_ptr 也无法管理动态数组。因此 auto_ptr 后来被弃用并移除。

常见问题

shared_ptr 的线程安全问题

• shared_ptr 资源控制块的修改（如引用计数器的增减）是原子操作，线程安全
• 多线程读写同一个 shared_ptr 不是线程安全的，因为指向修改不是原子的，包含几个步骤：内容指针移动、原目标引用计数减一、控制指针移动、新目标引用计数加一
• 多线程读写共享同一资源的不同 shared_ptr 是线程安全的，因此通常按值传参而非按引用
• 多线程通过 shared_ptr 读写同一资源不是线程安全的，需要加锁

按值传递/按引用传递

• unique_ptr 由于禁止了拷贝，不能按值传递，通常按引用传递，也可以使用移动语义
• shared_ptr 向线程传递时通常按值传递，否则容易出现线程安全问题

慎用裸指针构造/获取裸指针

• 用裸指针构造智能指针或获取智能指针的裸指针后，程序既可以从智能指针访问资源，又可以从裸指针访问资源，存在重复析构资源的风险
• 同理，不应把 this 指针作为 shared_ptr 返回。作为替代，可以继承 std::enable_shared_from_this 类并返回 std::shared_from_this()

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