《深入理解 C++ 智能指针：unique_ptr、shared_ptr 与 weak_ptr 全解析》

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用户11690575

发布于 2025-06-11 21:29:46

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一、引言

在传统 C++ 编程中，内存泄漏是一个常见的问题。智能指针的引入极大地简化了资源管理，尤其在 C++11 以后，unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr 被标准化并广泛应用于现代 C++ 项目中。

本文将全面讲解三种智能指针的使用场景、内部机制、常见陷阱，并通过图示和代码示例帮助读者构建对智能指针的系统性理解。

二、智能指针概览

智能指针类型	所有权	引用计数	可拷贝性	自动释放
unique_ptr	唯一	否	否	是
shared_ptr	共享	是	是	是
weak_ptr	非拥有	是	是	否

三、unique_ptr —— 独占式智能指针

3.1 基本使用

cpp复制编辑#include<memory>

std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(10);
std::cout << *ptr << std::endl;

3.2 转移所有权

cpp复制编辑std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr);

📌 图示（逻辑结构）：

scss复制编辑ptr ───► [10]
        （转移后）
ptr (null)   ptr2 ───► [10]

3.3 自定义析构函数

cpp复制编辑structFileCloser {
    voidoperator()(FILE* f)const { fclose(f); }
};

std::unique_ptr<FILE, FileCloser> file(fopen("data.txt", "r"));

四、shared_ptr —— 引用计数型智能指针

4.1 基本用法

cpp复制编辑std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>(5);
std::shared_ptr<int> p2 = p1; // 引用计数 +1

4.2 使用场景

对象被多个地方共享；
生命周期交叉复杂，如图结构或缓存池；

📌 引用计数图示：

scss复制编辑p1 ─────┐
        │
p2 ─────┘────► [int=5] (use_count=2)

4.3 使用 use_count() 与 unique()

cpp复制编辑std::cout << p1.use_count();  // 引用计数
std::cout << p1.unique();     // 是否为唯一引用

五、weak_ptr —— 防止循环引用

5.1 循环引用问题

cpp复制编辑structA;
structB;

structA {
    std::shared_ptr<B> b;
};

structB {
    std::shared_ptr<A> a;
};

👎 此时对象永不释放！

📌 引用计数环：

css复制编辑A ─► B ─► A ...

5.2 使用 weak_ptr 打破循环

cpp复制编辑structB {
    std::weak_ptr<A> a; // 不增加引用计数
};

5.3 锁定 weak_ptr

cpp复制编辑if (auto shared_a = b->a.lock()) {
    shared_a->doSomething();
}

六、智能指针在容器中的应用

cpp复制编辑std::vector<std::shared_ptr<MyObject>> objs;
objs.push_back(std::make_shared<MyObject>());

注意事项：

容器析构时自动释放所有对象；
避免智能指针的多层嵌套，如 std::shared_ptr<std::vector<...>>。

七、智能指针的内部实现机制（简要）

7.1 shared_ptr 的核心结构

txt复制编辑shared_ptr
   │
   ▼
ControlBlock ───► 引用计数（use_count）
             └──► 弱引用计数（weak_count）
             └──► 实际对象指针

7.2 为什么 shared_ptr 比 raw pointer 慢一点

内部涉及引用计数的原子操作；
存在线程安全策略（C++11 后）；

八、常见陷阱与误用

8.1 将 stack 对象交给智能指针托管（❌）

cpp复制编辑int x = 5;
std::shared_ptr<int> p(&x); // 错误：x 会被释放两次

应改为：

cpp复制编辑auto p = std::make_shared<int>(5);

8.2 使用 shared_from_this 时未继承 std::enable_shared_from_this（❌）

cpp复制编辑classMyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
    voidf() {
        auto self = shared_from_this(); // 正确获取当前 shared_ptr
    }
};

九、性能比较与推荐使用场景

使用场景	推荐智能指针
独占资源、无共享	unique_ptr
多个对象共享所有权	shared_ptr
弱引用、观察者模式	weak_ptr
原始指针无所有权需求	原始指针（只读）

建议优先使用顺序：

cpp复制编辑unique_ptr > shared_ptr > raw pointer > weak_ptr（观察者/缓存）

十、智能指针项目实战：模拟游戏场景的资源管理

10.1 目标

创建角色类 Player 和装备类 Weapon，使用智能指针管理内存与生命周期。

10.2 类定义示例

cpp复制编辑classWeapon {
public:
    Weapon(std::string name) : name(name) {}
    ~Weapon() { std::cout << "Weapon destroyed\n"; }

private:
    std::string name;
};

classPlayer {
public:
    std::shared_ptr<Weapon> weapon;
};

10.3 使用示例

cpp复制编辑intmain() {
    auto sword = std::make_shared<Weapon>("Excalibur");
    Player p1, p2;
    p1.weapon = sword;
    p2.weapon = sword;

    std::cout << "Use count: " << sword.use_count() << "\n";
}

十一、结语

智能指针是现代 C++ 编程中不可或缺的工具。掌握其用法不仅可以避免内存泄漏，更是实现高质量代码的基础。开发者应根据场景选择最合适的指针类型，避免过度使用 shared_ptr，在设计阶段就思考生命周期与所有权关系。

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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