c++之智能指针 – 源码巴士

1.基础

智能指针是在C++11标准中引入的，其中主要包括std::unique_ptr和std::shared_ptr。这两种智能指针都在头文件<memory>中定义。C++11标准之前，类似的功能需要使用第三方库实现或自己手写智能指针。

智能指针是C++中的一种智能指针类型，它具有自动管理内存的能力。智能指针类型可以帮助程序员减少手动管理内存分配和释放的编程错误，并增强程序的可靠性和可维护性。智能指针在C++标准库中提供了三种类型：std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr。

std::unique_ptr是一种独占所有权的智能指针类型，它管理的对象只能有一个智能指针拥有，当std::unique_ptr销毁时，它管理的对象也会被自动销毁。这种类型的智能指针通常用来管理单独的对象。

std::shared_ptr是一种共享所有权的智能指针类型，它管理的对象可以有多个智能指针共享所有权，当最后一个std::shared_ptr销毁时，它管理的对象才会被销毁。这种类型的智能指针通常用来管理共享资源。

std::weak_ptr是一种弱引用智能指针类型，它不改变所有权，可以在不影响所有权的情况下访问共享资源。这种类型的智能指针通常用来避免循环引用问题。

在项目中使用智能指针可以帮助减少内存泄漏和简化内存管理。举个例子，如果你在项目中使用了一个类来管理内存分配，那么你可以使用std::unique_ptr来管理这个类的实例，这样就可以在类销毁时自动释放内存。

另外，在项目中使用std::shared_ptr可以帮助管理共享资源，例如在多线程环境下使用共享内存。std::weak_ptr可以在不改变所有权的情况下访问共享资源。

另外智能指针也可以配合其他C++11的特性如move semantics，lambda等使用,帮助提升程序性能和编码体验。

总之，在项目中使用智能指针可以减少编程错误，并增强程序的可靠性和可维护性。

以下是一个使用智能指针管理内存分配的示例代码：

class MyData {
    public:
    int* data;
    MyData() {
        data = new int[100];
    }
    ~MyData() {
        delete[] data;
    }
};

std::unique_ptr<MyData> pData(new MyData());
// pData拥有MyData对象的所有权，当pData销毁时，MyData对象也会被自动销毁

以下是一个使用std::shared_ptr管理共享资源的示例代码：

std::shared_ptr<int> pShared(new int[100]);
std::shared_ptr<int> pShared2 = pShared;
std::cout << pShared.use_count() << std::endl; //输出 2

std::weak_ptr<int> pWeak = pShared;
std::cout << pWeak.use_count() << std::endl; //输出 2

此外，智能指针也可以配合C++11的智能指针，如 std::function 一起使用，使用方式与上述类似。

2.优缺点总结

优点：

智能指针可以自动管理内存，避免内存泄漏和野指针问题。
智能指针可以提高代码可读性和可维护性。
智能指针可以实现对象共享和引用计数。

缺点：

智能指针会增加程序的运行时间和内存占用。
智能指针的使用可能会增加代码的复杂度。
使用智能指针可能会带来线程安全问题

3.相关问题

1.如何实现一个智能指针？

实现智能指针的方法有很多种，其中最常见的方法是使用模板类来实现。下面是一个简单的智能指针类模板的实现方式:

template <typename T>
class SmartPointer {
public:
    SmartPointer(T* ptr) : _ptr(ptr) {}
    ~SmartPointer() { delete _ptr; }

    T& operator*() { return *_ptr; }
    T* operator->() { return _ptr; }

private:
    T* _ptr;
};

这个智能指针类有两个公共成员函数，一个是重载运算符 *，另一个是重载运算符 ->。它们都是用来访问底层指针所指向的对象的。

构造函数接受一个指向T类型的指针，并将其保存在类的私有成员变量中。

析构函数负责释放底层指针所指向的对象，这样就可以避免内存泄漏。

上述代码仅是一种实现智能指针的简单方式，实际上有很多其它的实现方法，如引用计数，共享所有权，独占所有权等。

2.为什么智能指针更安全？

智能指针比原始指针更安全的原因有很多，主要有以下几点:

自动内存管理：智能指针会在不再使用时自动释放内存，避免了手动释放内存的错误，如内存泄漏和重复释放等。
智能指针可以检测到空指针错误，并在发生时抛出异常。
智能指针可以管理资源的生命周期，避免了资源泄漏。
智能指针可以实现资源共享，如果有多个指针指向同一个对象，当最后一个指针释放对象时，对象才会真正被释放。
智能指针可以防止数据竞争问题，如多线程访问同一资源时。

总而言之，智能指针能够更好地管理内存资源，提高程序的安全性和可靠性。

3.什么是共享所有权和独占所有权？它们有什么区别？

共享所有权和独占所有权是智能指针在管理资源生命周期时使用的两种概念。

共享所有权指的是多个智能指针可以同时指向同一资源，这些指针都有对该资源的访问权。在这种情况下，资源的生命周期由所有指向它的指针共同管理。

独占所有权指的是一个智能指针独占对一个资源的访问权，在这种情况下，资源的生命周期由独占该资源的指针管理。

共享所有权和独占所有权的主要区别在于对资源的访问权，共享所有权允许多个指针同时访问资源，而独占所有权只允许一个指针访问资源。在实际开发中，根据需求选择使用共享所有权还是独占所有权。

4.如何使用智能指针避免内存泄漏？

使用 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）技术，即在对象创建时获取资源，在对象销毁时释放资源。智能指针可以很好地实现 RAII 技术，在智能指针对象创建时获取资源，在智能指针对象销毁时释放资源。
使用移动语义。移动语义允许将一个指针的所有权转移给另一个指针。这样可以避免在复制时重复分配内存。
使用 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 智能指针。它们自动管理资源的生命周期，在不再使用时自动释放内存。
使用std::weak_ptr , 避免循环引用问题
确保每个 new 操作都有对应的 delete 操作

5.智能指针和裸指针有什么区别？

智能指针和裸指针有以下几点区别：

生命周期管理：智能指针可以自动管理指向的对象的生命周期，在不再使用时自动释放内存。而裸指针需要手动管理指向的对象的生命周期。
内存安全性：智能指针可以避免很多常见的内存问题，如悬空指针、野指针等。而裸指针可能会因为缺少足够的内存管理机制而导致内存问题。
类型安全性：智能指针是一种类型安全的指针。它可以防止误操作，如将一个指针强制转换成另一个类型的指针。而裸指针则不具备这样的能力。
性能：智能指针在使用时会带来一定的性能损失，因为它需要额外的操作来管理指针的生命周期。而裸指针可能更快，因为它没有这样的额外操作。
共享所有权：智能指针有std::shared_ptr 允许多个指针指向同一个对象，而裸指针不具备这样的能力。

总的来说, 智能指针更安全，更易于管理，而裸指针更快

6.智能指针在多线程环境中安全吗？如何避免线程安全问题？

在多线程环境中使用智能指针可能会存在线程安全问题。这是因为多个线程可能会同时访问和修改智能指针所指向的对象，导致竞态条件。

为了避免线程安全问题，可以使用以下方法:

使用 std::atomic 或 std::shared_ptrstd::atomic 来管理智能指针。这样可以保证对智能指针的操作是原子性的。
使用 std::mutex 或 std::shared_mutex 来保护智能指针。这样可以保证对智能指针的访问是互斥的。
使用 std::lock_guard 或 std::unique_lock 来保护智能指针。这样可以保证对智能指针的访问是同步的。
使用std::shared_ptrstd::atomic 或 std::shared_ptrstd::shared_timed_mutex 来管理智能指针。这样可以保证对智能指针的操作是原子性的且可读性更高。
使用 C++20 中提供的 std::atomic_shared_ptr 来管理智能指针。这样能保证对智能指针的操作是原子性的并且更加方便。

总之，在多线程环境中使用智能指针需要更加谨慎，需要使用相应的同步机制来保证智能指针的线程安全。

7.如何使用STL和Boost库中的智能指针？

STL中的智能指针有std::unique_ptr和std::shared_ptr。

std::unique_ptr是一种独占所有权的智能指针，它控制单个对象的生存期。它可以用来替代裸指针，并且可以防止内存泄漏。使用方法很简单，可以像使用裸指针一样使用。
std::shared_ptr是一种共享所有权的智能指针，它可以让多个指针共享同一个对象，并记录引用计数。当引用计数为0时，对象会被自动释放。

Boost库中的智能指针有boost::scoped_ptr和boost::shared_ptr。

boost::scoped_ptr是一种独占所有权的智能指针，它是std::unique_ptr的前身。
boost::shared_ptr是一种共享所有权的智能指针，它是std::shared_ptr的前身。

在使用STL和Boost库中的智能指针时，需要注意的是它们的使用方法和标准库中的std::unique_ptr和std::shared_ptr有些不同，需要稍微调整。

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_41929227/article/details/128784801