解开C++智能指针shared_ptr的秘密：高效使用内存的关键

一、简介

C++智能指针shared_ptr是一种可以自动管理内存的智能指针，它是C++11新增的特性之一。与传统指针不同，shared_ptr可以自动释放所管理的动态分配对象的内存，并避免了手动释放内存的繁琐操作，从而减少了内存泄漏和野指针的出现。

shared_ptr是一个模板类，通过引用计数器实现多个智能指针共享对一个对象的所有权。每次复制一个shared_ptr对象时，该对象的引用计数器会增加1，当最后一个shared_ptr对象被销毁时，引用计数器减1，如果引用计数器变为0，则释放所管理的对象的内存。

使用shared_ptr需要包含头文件，并且可以通过以下方式创建：

std::shared_ptr<int> p(new int(10));

上面的代码创建了一个shared_ptr对象p，它指向一个动态分配的int类型对象，初始值为10。

在使用shared_ptr时，需要注意以下几点：

1. 不要使用裸指针来初始化shared_ptr，否则可能导致多次删除同一个对象的情况。

2. 避免在shared_ptr中存储数组，因为shared_ptr只能处理单个对象的释放，而不能正确地处理数组的销毁。

3. 可以通过自定义删除器（deleter）来实现对对象的特定方式的释放。

4. shared_ptr可以作为函数参数传递，但要注意避免循环引用的问题，否则会导致内存泄漏。

shared_ptr是一种方便且安全的内存管理工具，能够有效地避免内存泄漏和野指针的出现。

二、底层原理

2.1、引用计数

shared_ptr的核心是引用计数技术。在每个shared_ptr对象中，都有一个指向所管理对象的指针和一个整型计数器。这个计数器统计有多少个shared_ptr对象指向该所管理对象。当一个新的shared_ptr对象指向同一块内存时，该内存的引用计数就会增加1。当一个shared_ptr对象不再指向该内存时，该内存的引用计数就会减少1。当引用计数为0时，说明没有任何shared_ptr对象指向该内存，此时该内存将会被自动释放。

2.2、shared_ptr的构造和析构

1. shared_ptr的构造函数需要一个指针作为参数，该指针指向要被管理的对象。当一个新的shared_ptr对象被创建时，它会尝试增加所管理对象的引用计数。如果该对象还未被其他shared_ptr对象管理，则会创建一个新的引用计数，并将其设置为1。否则，它会与已经存在的shared_ptr对象共享同一个引用计数。

2. shared_ptr的析构函数会尝试减少所管理对象的引用计数。如果引用计数变成0，则会自动释放所管理对象的内存。

3. shared_ptr的控制块（包含引用计数和删除器等信息）会在最后一个指向所管理对象的shared_ptr析构时被释放。当引用计数减为0时，就说明没有任何shared_ptr对象指向该所管理对象了，此时shared_ptr会自动调用删除器，并释放掉控制块。由于shared_ptr可以共享同一个控制块，因此只有所有shared_ptr对象都析构后，控制块才能被释放。如果一个shared_ptr对象使用reset()方法手动解除与所管理对象的关联，也会相应地减少引用计数，当引用计数变成0时，控制块也会被释放。

2.3、shared_ptr的共享和拷贝

shared_ptr可以与其他shared_ptr对象共享同一个指向对象的指针。当一个shared_ptr对象被复制时，它所管理的对象的引用计数也会增加1。因此，任何一个持有相同指针的shared_ptr对象都可以通过更改其所管理对象的状态来影响所有其他shared_ptr对象。

2.4、循环引用问题

如果一个对象A包含指向另一个对象B的shared_ptr，而对象B也包含指向对象A的指针，则这两个对象将形成循环引用。在这种情况下，可能会出现内存泄漏。

shared_ptr 循环引用问题是指两个或多个对象之间通过shared_ptr相互引用，导致对象无法被正确释放，从而造成内存泄漏。

常见的情况是两个对象A和B，它们的成员变量互相持有了对方的shared_ptr。当A和B都不再被使用时，它们的引用计数不会降为0，无法被自动释放。

解决这个问题的方法有以下几种：

1.打破循环引用：可以通过将shared_ptr改为weak_ptr来解决。weak_ptr是一种弱引用，不会增加对象的引用计数，在对象释放时会自动设置为nullptr。可以使用weak_ptr.lock()方法来获取对象的shared_ptr，当对象已经释放时会返回一个空shared_ptr。

2.使用std::enable_shared_from_this：如果其中一个对象A需要获取对另一个对象B的shared_ptr，可以让对象B继承std::enable_shared_from_this，并在A中使用shared_from_this()方法获取B的shared_ptr，这样就不会形成循环引用。

3.手动析构：如果无法修改代码结构或者无法使用前两种方法解决问题，可以使用手动析构的方式来释放对象。通过调用reset()方法手动释放shared_ptr，确保引用计数降为0，对象会被正确释放。

4.使用weak_ptr和shared_ptr组合：将两个对象的循环引用中的一个改为weak_ptr，另一个仍使用shared_ptr。这样可以避免循环引用导致的内存泄漏。

三、shared_ptr的使用

创建shared_ptr对象的语法有以下几种方式：

1. 通过new关键字创建

std::shared_ptr<int> p(new int);

2. 通过make_shared函数创建，该函数可以避免使用new关键字

std::shared_ptr<int> p = std::make_shared<int>();

3. 传递指针和删除器作为参数创建

void my_deleter(int* p) {
    delete p;
}

std::shared_ptr<int> p(new int, my_deleter);

4. 传递指针、删除器和分配器作为参数创建

void my_deleter(int* p) {
    delete p;
}

struct MyAllocator {
    void* allocate(size_t size);
    void deallocate(void* ptr, size_t size);
};

MyAllocator my_allocator;

std::shared_ptr<int> p(new int, my_deleter, my_allocator);

5. 从另一个shared_ptr对象创建

std::shared_ptr<int> p1(new int);
std::shared_ptr<int> p2(p1);

6. 使用移动语义从另一个shared_ptr对象创建

std::shared_ptr<int> p1(new int);
std::shared_ptr<int> p2(std::move(p1));

3.1、创建一个shared_ptr

使用shared_ptr创建一个智能指针非常简单，只需要将一个指向动态分配内存的裸指针作为参数传递给shared_ptr的构造函数即可：

// 创建一个int类型的智能指针
std::shared_ptr<int> p(new int(10));

3.2、共享一个shared_ptr

shared_ptr可以与其他shared_ptr对象共享同一个指向对象的指针，这样就可以避免多次动态分配内存和释放内存的问题。共享一个shared_ptr可以通过复制构造函数和赋值运算符实现：

// 复制构造函数
std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
std::shared_ptr<int> p2(p1);

// 赋值运算符
std::shared_ptr<int> p3(new int(10));
std::shared_ptr<int> p4;
p4 = p3;

注意：共享一个shared_ptr会增加所管理对象的引用计数。因此，任何一个持有相同指针的shared_ptr对象都可以通过更改其所管理对象的状态来影响所有其他shared_ptr对象。

3.3、使用删除器

除了管理所分配的内存外，shared_ptr还可以使用删除器（deleter）来管理对象。删除器是一个函数或者函数对象，用于在shared_ptr释放所管理对象时执行特定的操作。删除器可以通过shared_ptr的模板参数指定：

// 使用Lambda表达式作为删除器
std::shared_ptr<int> p(new int(10), [](int* p){ delete[] p; });

3.4、解除关联

如果需要解除shared_ptr与所管理对象的关联，可以使用reset()方法：

std::shared_ptr<int> p(new int(10));
p.reset();

注意：当调用reset()方法后，所管理对象的引用计数会减少1。如果引用计数变成0，则会自动释放所管理对象的内存。

3.5、使用示例

#include 
#include 

using namespace std;

class MyClass {
public:
    MyClass() { cout << "MyClass constructor" << endl; }
    ~MyClass() { cout << "MyClass destructor" << endl; }
    void printInfo() { cout << "This is MyClass" << endl; }
};

int main() {
    shared_ptr<MyClass> p1(new MyClass()); // 创建一个shared_ptr指向MyClass对象
    shared_ptr<MyClass> p2 = p1; // p1和p2都指向同一个MyClass对象

    p1->printInfo(); // 访问MyClass对象的成员函数
    p2.reset(); // 释放p2所指向的MyClass对象
    p1->printInfo(); // 由于p1仍然指向MyClass对象，所以此处输出"This is MyClass"

    return 0;
}

上述代码中，通过调用shared_ptr构造函数创建了两个指针p1和p2，并且它们都指向一个MyClass对象。我们调用reset()函数来释放p2所指向的MyClass对象，但是由于p1仍然指向该对象，所以在调用p1->printInfo()时仍然输出"This is MyClass"。当程序结束时，p1所指向的MyClass对象会被自动释放。

可以看到，使用shared_ptr可以很方便地避免内存泄漏和悬空指针等问题。另外，需要注意的是，shared_ptr指针之间的赋值和拷贝操作都会增加指向对象的引用计数，即使一个指针已经释放了它所指向的对象，只要其他指针还在使用该对象，该对象就不会被自动删除。因此，在使用shared_ptr时需要注意对象的生命周期，避免产生意外的副作用。

四、shared_ptr循环引用问题的解决方法

假设存在这样的循环引用：

#include 

class B; //前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr; // A类持有B类的shared_ptr

    ~A() {
        std::cout << "A destructor" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr; // B类持有A类的shared_ptr

    ~B() {
        std::cout << "B destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    
    // 此时a和b之间形成了循环引用，导致其引用计数一直不为0

    return 0;
}

解决方法：

（1）使用weak_ptr打破循环引用： 将A类和B类中的shared_ptr改为weak_ptr，将对象引用改为弱引用，这样不会增加对象的引用计数，从而避免循环引用导致的内存泄漏。在需要使用对象的地方，可以通过lock()方法将weak_ptr转换为shared_ptr来进行使用，如果对象已被释放，则返回空shared_ptr。

#include 

class B; //前向声明

class A {
public:
    std::weak_ptr<B> b_ptr; // A类持有B类的weak_ptr

    ~A() {
        std::cout << "A destructor" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // B类持有A类的weak_ptr

    ~B() {
        std::cout << "B destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    
    // 此时a和b之间形成了循环引用，但由于使用了weak_ptr，不会形成内存泄漏

    return 0;
}

（2）修改对象的引用关系： 考虑是否需要A类和B类之间互相持有shared_ptr的引用关系。如果某一方只需要单向引用，可以将其引用改为裸指针或者weak_ptr。这样可以避免形成循环引用。

#include 

class B; //前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr; // A类持有B类的shared_ptr

    ~A() {
        std::cout << "A destructor" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // B类持有A类的weak_ptr

    ~B() {
        std::cout << "B destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    
    // 此时a和b之间形成了循环引用，但由于a->b_ptr改为shared_ptr，b->a_ptr改为weak_ptr，不会形成内存泄漏

    return 0;
}

（3）手动析构： 如果无法修改代码结构或者无法使用前两种方法解决问题，可以使用手动析构的方式来释放对象。通过调用reset()方法手动释放shared_ptr，确保引用计数降为0，对象会被正确释放。

#include 

class B; //前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr; // A类持有B类的shared_ptr

    ~A() {
        std::cout << "A destructor" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr; // B类持有A类的shared_ptr

    ~B() {
        std::cout << "B destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    
    a.reset(); // 手动释放A对象
    b.reset(); // 手动释放B对象

    return 0;
}

（4）使用weak_ptr和shared_ptr组合： 将两个对象的循环引用中的一个改为weak_ptr，另一个仍使用shared_ptr。这样可以避免循环引用导致的内存泄漏。

#include 

class B; //前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr; // A类持有B类的shared_ptr

    ~A() {
        std::cout << "A destructor" << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // B类持有A类的weak_ptr

    ~B() {
        std::cout << "B destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();

    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    
    // 此时a和b之间形成了循环引用，但由于a->b_ptr使用shared_ptr，b->a_ptr使用weak_ptr，不会形成内存泄漏

    return 0;
}

总结

智能指针是C++中一种重要的语言机制，其中shared_ptr是最常用和最经典的智能指针之一。

1. shared_ptr是一种引用计数的智能指针，可以共享同一个对象。

2. 使用shared_ptr时，需要包含头文件< memory >。

3. 创建shared_ptr对象时，可以直接将原始指针作为参数传递给构造函数，也可以使用make_shared函数进行创建。

4. 对象的引用计数会在shared_ptr对象初始化、复制、释放时自动更新。

5. 当某个shared_ptr对象被销毁时，它所指向的对象的引用计数会减少，如果引用计数为0，则该对象会被自动删除。

6. 通过get函数可以获取shared_ptr对象所管理的原始指针。

7. 通过reset函数可以重新绑定shared_ptr对象所管理的原始指针。

8. 可以使用unique函数判断shared_ptr对象是否唯一拥有原始指针。

9. 通常情况下，shared_ptr对象应该在栈上创建，而不是使用new运算符在堆上创建。

10. 在多线程环境下使用shared_ptr时需要注意，需要采取线程安全措施，比如使用锁来保证引用计数的正确性。

11. shared_ptr是C++11中STL的一部分，它是一个模板类，用于管理动态地分配对象的内存。shared_ptr可以自动完成内存管理，确保内存被正确释放，并且非常易于使用。

12. shared_ptr是一个强大的智能指针类，它利用引用计数技术来管理动态分配的对象的内存。shared_ptr可以避免循环引用和内存泄漏等问题，并且易于使用，是C++程序员必不可少的工具之一。