C++ 内存管理进阶：从裸指针到智能指针

1.5 智能指针的使命

智能指针的核心思想是封装裸指针，并在析构时自动释放资源。利用 C++ 对象'出作用域即析构'的特性，确保资源被正确回收。

二、智能指针详解

C++11 提供了三种主要智能指针：unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr。

2.1 unique_ptr：独占所有权

unique_ptr 是最轻量级的智能指针，拥有独占所有权，不可拷贝，仅支持移动语义。

原理

底层封装裸指针，禁用拷贝构造函数和赋值运算符，支持移动构造和赋值。析构时自动调用 delete。

使用示例

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;

class Test {
public:
    Test(int id) : id_(id) { cout << "Test(" << id_ << ") 构造" << endl; }
    ~Test() { cout << "Test(" << id_ << ") 析构" << endl; }
    void show() { cout << "Test id: " << id_ << endl; }
private:
    int id_;
};

void test_unique_ptr_basic() {
    // 推荐方式：make_unique
    unique_ptr<Test> up1 = make_unique<Test>(1);
    up1->show();

    // 移动语义转移所有权
    unique_ptr<Test> up2 = move(up1);
    up2->show();
    // up1 此时变为 nullptr
}

最佳实践：

• 优先使用 make_unique 创建，避免 new 表达式可能带来的异常安全问题。
• 管理数组时使用 unique_ptr<T[]>，确保调用 delete[]。

2.2 shared_ptr：共享所有权

当多个对象需要共享同一资源时，shared_ptr 通过引用计数机制实现共享所有权。

原理

每个 shared_ptr 指向一个控制块，其中包含引用计数。当最后一个 shared_ptr 销毁时，引用计数归零，资源被释放。

使用示例

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;

void test_shared_ptr_basic() {
    shared_ptr<Test> sp1 = make_shared<Test>(1);
    shared_ptr<Test> sp2 = sp1; // 引用计数 +1
    cout << "use_count: " << sp1.use_count() << endl; // 输出 2
}

循环引用问题

两个 shared_ptr 互相持有对方引用会导致引用计数无法归零，造成内存泄漏。

shared_ptr<Test> sp1 = make_shared<Test>(100);
shared_ptr<Test> sp2 = make_shared<Test>(200);
sp1->sp_self = sp2; // 假设成员变量为 shared_ptr
sp2->sp_self = sp1;
// 离开作用域后，引用计数均为 1，无法释放

2.3 weak_ptr：打破循环

weak_ptr 是一种弱引用，不增加引用计数，用于观察 shared_ptr 管理的对象。

原理

weak_ptr 指向控制块但不管理对象。通过 lock() 方法可获取临时的 shared_ptr 访问对象。

解决循环引用

将循环引用中的一方改为 weak_ptr。

class Test {
public:
    weak_ptr<Test> wp_self; // 使用 weak_ptr 代替 shared_ptr
    // ... 其他成员
};

void solve_cycle() {
    shared_ptr<Test> sp1 = make_shared<Test>();
    shared_ptr<Test> sp2 = make_shared<Test>();
    sp1->wp_self = sp2; // 不增加 sp2 的引用计数
    sp2->wp_self = sp1;
    // 离开作用域后，引用计数归零，正常释放
}

三、进阶技巧

3.1 定制删除器

默认删除器使用 delete，特殊资源（如文件句柄）需自定义。

auto close_file = [](FILE* fp) { if(fp) fclose(fp); };
unique_ptr<FILE, decltype(close_file)> fp(fopen("test.txt", "w"), close_file);

3.2 类型转换

智能指针不支持直接 cast，需使用专用函数。

• static_pointer_cast：静态转换
• dynamic_pointer_cast：动态转换（需多态）
• const_pointer_cast：去除 const

shared_ptr<Base> base = make_shared<Derived>();
auto derived = dynamic_pointer_cast<Derived>(base);

3.3 性能优化

1. 优先 unique_ptr：无额外开销。
2. 使用 make_shared：一次性分配对象和控制块，减少内存碎片。
3. 避免拷贝：传递 shared_ptr 时尽量用 const&。
4. 及时释放 lock：weak_ptr::lock() 返回的 shared_ptr 应尽快离开作用域。

四、避坑指南

1. 禁止混合管理：不要将裸指针同时交给多个智能指针管理。
2. 检查有效性：使用 weak_ptr 前检查 expired() 或判断 lock() 返回值。
3. 数组类型：unique_ptr<int[]> 而非 unique_ptr<int>。
4. 慎用 get/release：暴露裸指针可能破坏所有权规则。

总结

智能指针通过 RAII 机制大幅降低了内存管理的复杂度。在实际开发中，遵循'能不用裸指针就不用'的原则，根据所有权需求选择合适的智能指针，能让代码更安全、更易维护。