【C++】详解RAII思想与智能指针

template<class T> class smartptr { public: smartptr(T data) { cout << "smartptr(T data)" << endl; _ptr = new T(data); } ~smartptr() { cout << "~smartptr()" << endl; delete _ptr; } private: T* _ptr; }; int div() { int a, b; cin >> a >> b; if (b == 0) throw invalid_argument("除0错误"); return a / b; } int main() { try { smartptr<int> p1(1); smartptr<int> p2(2); div(); } catch (exception& e) { cout << e.what() << endl; } return 0; }

我们可以看到，RAII思想实际上就是将资源的获取与释放封装到一个类中，在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源。我们不需要显式地释放资源，并且将资源与对象的生命周期绑定

输入3 0时，抛出除零异常，执行流跳转的同时，try块内部生命周期结束，此时会调用内部对象的析构函数，完成了资源的释放，避免了资源泄露。

二、智能指针

上述smartptr还不能被称作智能指针，因为它不具备指针的行为，我们还需要在类内部重载解引用*、访问->等操作，使其能像指针一样使用：

template<class T> class smartptr { public: smartptr(T data = T()) { _ptr = new T(data); } ~smartptr(){ delete _ptr; } T& operator*(){ return *_ptr; } T* operator->(){ return _ptr; } private: T* _ptr; }; struct Date { int _year; int _month; int _day; }; int main() { smartptr<Date> p1; p1->_year = 2024; p1->_month = 11; p1->_day = 9; cout << (*p1)._year << "-" << (*p1)._month << "-" << (*p1)._day << endl; return 0; }

智能指针采用RAII原理来管理动态分配的内存，也是将资源的管理与对象的生命周期绑定，并且可以像普通指针那样进行*、->等操作。

下面我们来介绍一下C++98提供的auto_ptr智能指针：

1.auto_ptr

auto_ptr是C++98标准引入的一种智能指针，是RAII思想的体现，其核心功能是自动管理动态分配的内存，确保指针在超出作用域时，资源被正确释放，下面是它的主要实现原理：

实现原理

构造函数

auto_ptr的构造函数接受一个原始指针（裸指针），并将其封装成auto_ptr对象内部的指针：

auto_ptr<int> p(new int(10)); // 构造函数

析构函数

auto_ptr的析构函数会在对象生命周期结束时自动调用delete操作符，释放指针所指向的内存：

~auto_ptr() { delete _ptr; // 释放内存 }

拷贝构造函数

与普通对象的拷贝构造函数不同，auto_ptr在拷贝时会转移其资源所有权给新对象。因此，拷贝构造后，原对象会变成一个空指针（指向nullptr）

auto_ptr(const auto_ptr& other) : _ptr(other._ptr) { other._ptr = nullptr; // 将原对象的指针设为 nullptr，避免重复释放 }

赋值操作符

auto_ptr的赋值操作符也会转移资源所有权，先释放当前对象的资源，然后将传入的指针复制到当前对象，并将传入指针置空：

auto_ptr& operator=(const auto_ptr& other) { if (this != &other) { delete _ptr; // 先释放当前资源 _ptr = other._ptr; other._ptr = nullptr; // 将 other 的指针置空 } return *this; }

成员访问

通过重载*、->实现指针的解引用与访问成员操作：

auto_ptr<int> p(new int(10)); *p = 20; // 访问值

模拟实现

下面是对auto_ptr的简单模拟实现：

 template<class T> class auto_ptr { public: // 构造函数 auto_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr) {} // 拷贝构造函数 auto_ptr(auto_ptr<T>& other) :_ptr(other._ptr) { // 管理权转移 other._ptr = nullptr; } // 赋值函数 auto_ptr operator=(const auto_ptr<T> other) { // 检测是否给自己赋值 if (*this != other) { // 释放当前资源 if (_ptr) delete _ptr; _ptr = other._ptr; other._ptr = nullptr; } return *this; } // 析构函数 ~auto_ptr() { if(_ptr) delete _ptr; } T& operator*() { return *_ptr; } T* operator->() { return _ptr; } private: T* _ptr; };

弊端

auto_ptr在拷贝和赋值时隐式地转移了资源所有权，会导致一些潜在的资源管理问题。

auto_ptr被拷贝时，源对象指针被置空，此时无法再进行访问：

auto_ptr<int> p1(new int(10)); // 创建 p1 auto_ptr<int> p2 = p1; // p1 的资源转移给 p2，p1 变为 nullptr cout << *p1 << std::endl; // 错误，p1 已为空指针

这种隐性的资源转移，使得auto_ptr在传递和返回时不直观，比如，我们在函数调用对象时，希望资源可以被复制并共享，但是auto_ptr不允许资源的共享，可能会导致意料之外的资源转移：

void foo(auto_ptr<int> ptr) { // ptr 的资源所有权已经转移到 foo 函数的局部变量中 } int main() { auto_ptr<int> p1(new int(10)); foo(p1); // p1 的资源被转移到 foo，p1 变为空指针 cout << *p1 << std::endl; // 错误，p1 已为空指针 }

auto_ptr在实际使用过程中，会引发许多不易察觉的错误，这并不是我们想要的智能指针，为了避免上述问题，C++11引入了更多新的智能指针，例如unique_ptr：

2.unique_ptr

为了避免所有权转移导致的一系列潜在问题，unique_ptr采用了一种简单粗暴的办法：禁止拷贝，禁止一切拷贝行为，从根源上解决了问题。

实现原理

禁止拷贝行为
编译器会禁止unique_ptr的拷贝构造与拷贝复制操作，试图拷贝将会报错：

std::unique_ptr<int> p1(new int(10)); // 编译错误，禁止拷贝构造 std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 错误：拷贝构造被删除

明确的资源所有权转移

禁止拷贝并不意味着对资源所有权转移的全面封杀，实际上还是可以对资源进行转移的，只不过auto_ptr是隐式地转移，而unique_ptr是显式地进行转移：

unique_ptr<int> p1(new int(10)); unique_ptr<int> p2 = move(p1); // 明确转移资源所有权 // p1 现在为空指针，p2 拥有资源 cout << *p2 << endl; // 输出 10 // cout << *p1 << endl; // 错误：p1 现在为空指针

模拟实现

那么unique_ptr在底层是怎么实现对拷贝的禁止的呢，其实是用到了delete关键字，在成员函数后面加上 = delete，表示禁止该成员函数的使用，通过delete删除拷贝构造函数与拷贝赋值函数，从而禁止了拷贝行为的发生：

 template<class T> class unique_ptr { public: unique_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr) {} ~unique_ptr() { if (_ptr) delete _ptr; } // 指针操作 T& operator*() { return *_ptr; } T* operator->() { return _ptr; } // 不支持拷贝构造、拷贝赋值 unique_ptr(const unique_ptr<T>& other) = delete; unique_ptr operator=(const unique_ptr<T> other) = delete; private: T* _ptr; };

C++11还提供了一种智能指针，它支持拷贝行为，并且允许多个对象共享资源，即拷贝赋值并不会将原指针置空，而是让它们指向同一块空间：

3.shared_ptr

shared_ptr支持拷贝构造以及拷贝赋值，它们可以共享资源，各自进行操作，但要考虑一个问题：RAII的思想是将资源的获取和释放与对象的生命周期绑定，当我通过函数传参的方式将一个对象赋值给了另一个对象，会导致资源的提前释放（函数结束），这样外部指针就悬空了，共享的资源只需要进行一次释放即可，那么我们怎么知道何时释放资源呢？通过计数器的方式实现：

实现原理

shared_ptr通过引用计数来实现资源的正确释放，确保在所有共享该资源的shared_ptr对象都销毁后才释放资。

当另一个shared_ptr对象拷贝构造或者赋值时，引用计数增加，表示多了一个对象在共享资源；当shared_ptr对象析构或被赋值到新的对象时，引用计数减少，表示减少一个共享资源的持有者。

模拟实现

实现过程如下：

 template<class T> class shared_ptr { public: shared_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr) ,_pCount(new int(0)) { ++* _pCount; // 增加计数 } shared_ptr(shared_ptr<T>& other) :_ptr(other._ptr) ,_pCount(other._pCount) { cout << "shared_ptr(shared_ptr<T>& other)" << endl; ++* _pCount; // 增加计数 } shared_ptr operator=(shared_ptr<T>& other) { // 检测是否给自己赋值 if (_ptr != other._ptr) { cout << "shared_ptr operator=(const shared_ptr<T>& other)" << endl; --* _pCount; // 减少当前资源的计数 // 释放当前资源 if (*_pCount == 0) { delete _ptr; delete _pCount; } _ptr = other._ptr; _pCount = other._pCount; ++* _pCount; // 增加新资源的计数 } return *this; } ~shared_ptr() { --* _pCount; // 减少计数 if (*_pCount == 0) { // 共享对象全部销毁，进行析构 cout << "~shared_ptr()" << endl; delete _ptr; delete _pCount; } } T& operator*() { return *_ptr; } T* operator->() { return _ptr; } private: T* _ptr; int* _pCount; };

shared_ptr适用于绝大多数场景，但是在某些场景下，会引发循环引用问题，此时资源不能得到正确释放：

循环引用问题

来看下面这段代码：

struct ListNode { int _data; shared_ptr<ListNode> _prev; shared_ptr<ListNode> _next; ~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; } }; int main() { shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode); shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode); cout << node1.use_count() << endl; cout << node2.use_count() << endl; node1->_next = node2; node2->_prev = node1; cout << node1.use_count() << endl; cout << node2.use_count() << endl; return 0; }

我们将节点的_prev和_next定义成shared_ptr智能指针，并定义了两个节点，节点2的_prev指向节点1，节点1的_next指向节点2: