智能指针使用及原理
1.智能指针的使用场景分析
下⾯程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导致后⾯的delete没有得到执⾏，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本⾝也可能抛异常，连续的两个new和下⾯的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很⿇烦。智能指针放到这样的场景⾥⾯就让问题简单多了。
double Divide(int a, int b)
{
// 当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
throw "Divide by zero condition!";
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
void Func()
{
int* array1 = new int[10];
int* array2 = new int[10];
try
{
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
}
catch (...)
{
cout << "delete []" << array1 << endl;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array1;
delete[] array2;
throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
}
// ...
cout << "delete []" << array1 << endl;
delete[] array1;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
} 为什么说手动管理 new/delete 可能导致内存泄漏？
1. 如果
new 本身抛出异常（如内存不足）
int* array1 = new int[10]; // 假设成功
int* array2 = new int[10]; // 假设这里抛出 std::bad_alloc（内存不足）-
array1已经分配成功，但array2分配失败，抛出std::bad_alloc。 -
由于异常直接跳出
Func()，array1没有被释放，导致内存泄漏。
2. 如果在
array1 和 array2 初始化后，其他代码抛异常
假设
Func() 在 new 之后、 try 之前还有其他可能抛异常的代码：
int* array1 = new int[10];
int* array2 = new int[10];
some_operation_that_may_throw(); // 假设这里抛异常
try { ... }
catch (...) { ... }-
如果
some_operation_that_may_throw()抛异常，程序直接跳出Func()，导致array1和array2泄漏。
3.catch 只能处理 Divide() 抛出的异常
try {
cout << Divide(len, time) << endl; // 可能抛异常
}
catch (...) {
delete[] array1; // 释放内存
delete[] array2;
throw; // 重新抛出
}它只能捕获 Divide() 抛出的异常，但无法捕获：
-
new抛出的std::bad_alloc。 -
其他可能抛出的异常（如
cin >>失败、标准库异常等）。
2.RAII和智能指针的设计思路
- RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利⽤对象⽣命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这⾥的资源可以是内存、⽂件指针、⽹络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源在对象的⽣命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。
- 智能指针类除了满⾜RAII的设计思路，还要⽅便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，⽅便访问资源
| 场景 | 无RAII | 使用RAII |
|---|---|---|
| 资源获取 | 手动（如 new, fopen） |
构造函数自动完成 |
| 资源释放 | 需显式调用（如 delete, fclose） |
析构函数自动调用 |
| 异常安全 | 可能泄漏 | 自动保证 |
| 代码复杂度 | 高（需跟踪所有释放点） | 低（资源与对象生命周期绑定） |
template
class SmartPtr
{
public:
// RAII
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
cout << "delete[] " << _ptr << endl;
delete[] _ptr;
}
// 重载运算符，模拟指针的⾏为，⽅便访问资源
// 通过 RAII 管理资源，即使发生异常，SmartPtr 的析构函数也会被调用，确保内存释放。
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator[](size_t i)
{
return _ptr[i];
}
private:
T* _ptr;
};
double Divide(int a, int b)
{
// 当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
throw "Divide by zero condition!";
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
void Func()
{
// 这⾥使⽤RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序简单多了
SmartPtr sp1 = new int[10];
SmartPtr sp2 = new int[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
sp1[i] = sp2[i] = i;
}
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
}
// 不再需要手动 delete[]，SmartPtr 会在作用域结束时自动释放内存（即使 Divide 抛异常）
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
} 情况 1：Divide 抛异常（除零）
输入：10 0
流程：
1. `sp1` 和 `sp2` 分配内存。
2. 初始化数组。
3. `Divide(10, 0)` 抛出 `"Divide by zero condition!"`。
4. 异常传播到 `main`，被 `catch (const char*)` 捕获，打印错误信息。
5. **`sp1` 和 `sp2` 仍会析构**，自动释放内存（RAII 保证）。情况 2：new 抛异常（内存不足）
假设 `new int[10]` 失败，抛出 `std::bad_alloc`：
1. 如果 `sp1` 的 `new` 失败：
- `sp1` 未构造成功，无资源需释放。
- 异常直接传播到 `main`。
2. 如果 `sp2` 的 `new` 失败：
- `sp1` 已构造，其析构函数会被调用，释放 `sp1._ptr`。
- 异常传播到 `main`。对比
int* array1 = new int[10]; // 如果这里成功
int* array2 = new int[10]; // 如果这里抛异常，array1 泄漏！
SmartPtr sp1 = new int[10]; // 即使后续抛异常，sp1 也会自动释放
SmartPtr sp2 = new int[10]; 3.C++标准库智能指针的使用
-
C++标准库中的智能指针都在
这个头⽂件下⾯，我们包含 就可以是使⽤了，智能指针有好⼏种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的⾏为，原理上⽽⾔主要是解决智能指针拷⻉时的思路不同。 -
auto_ptr 是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷⻉时把被拷⻉对象的资源的管理权转移给 拷⻉对象，因为他会到被拷⻉对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使⽤auto_ptr。
-
unique_ptr 是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点的不⽀持拷⻉，只⽀持移动。如果不需要拷⻉的场景就⾮常建议使⽤他。
-
shared_ptr 是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是⽀持拷⻉，也⽀持移动。如果需要拷⻉的场景就需要使⽤他了。底层是⽤引⽤计数的⽅式实现的。
-
weak_ptr 是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上⾯的智能指针，他不⽀持RAII，也就意味着不能⽤它直接管理资源，weak_ptr的产⽣本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引⽤导致内存泄漏的问题。
-
智能指针析构时默认是进⾏delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针⽀持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调⽤对象，这个可调⽤对象中实现你想要的释放资源的⽅式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调⽤删除器去释放资源。因为new[]经常使⽤，所以为了简洁⼀点，unique_ptr和shared_ptr都特化了⼀份[]的版本，使⽤时 unique_ptr
-
template
shared_ptr make_shared(Args&&... args) -
shared_ptr 除了⽀持⽤指向资源的指针构造，还⽀持 make_shared ⽤初始化资源对象的值直接构造。
-
shared_ptr 和 unique_ptr 都⽀持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。
-
shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使⽤explicit 修饰，防⽌普通指针隐式类型转换成智能指针对象。
为什么需要
explicit？
问题场景（无 explicit 时）
假设智能指针的构造函数不是 explicit，以下代码可以通过编译：
void foo(std::shared_ptr ptr); // 函数接受 shared_ptr
int* raw_ptr = new int(42);
foo(raw_ptr); // 隐式转换：危险！可能导致双重释放 隐式转换会临时创建一个 shared_ptr，当临时 shared_ptr 析构时，会释放 raw_ptr，而调用者可能再次手动 delete，导致 双重释放。
解决方案（explicit 构造函数）
// 标准库中的 shared_ptr 构造函数声明（简化）
template
class shared_ptr {
public:
explicit shared_ptr(T* ptr); // 禁止隐式转换
}; 此时，隐式转换会报错，必须显式构造：
foo(std::shared_ptr(raw_ptr)); // 正确：显式转换 示范
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
~Date()
{
cout << "~Date()" << endl;
}
};int main()
{
auto_ptr ap1(new Date);
// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
auto_ptr ap2(ap1);
// 空指针访问，ap1对象已经悬空
//ap1->_year++;
unique_ptr up1(new Date);
// 不⽀持拷⻉
// unique_ptr up2(up1); // 编译错误
unique_ptr up3(move(up1));
// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
shared_ptr sp1(new Date);
// ⽀持拷⻉
shared_ptr sp2(sp1);
shared_ptr sp3(sp2);
cout << sp1.use_count() << endl;
// use_count() 返回当前共享该对象的 shared_ptr 数量。
sp1->_year++; // 通过 sp1 修改 _year
cout << sp1->_year << endl; // 输出：修改后的值
cout << sp2->_year << endl; // 输出：同上（共享同一对象）
cout << sp3->_year << endl; // 输出：同上
// 所有 shared_ptr 访问的是同一个 Date 对象，因此修改会反映在所有指针上。
// ⽀持移动，但是移动后sp1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
shared_ptr sp4(move(sp1));
return 0;
} 删除器
函数指针形式的删除器
template
void DeleteArrayFunc(T* ptr) {
delete[] ptr; // 正确释放数组
}
//示例
std::unique_ptr up(new int[10], DeleteArrayFunc);
std::shared_ptr sp(new int[10], DeleteArrayFunc); 仿函数（Functor）形式的删除器
template
class DeleteArray {
public:
void operator()(T* ptr) {
delete[] ptr; // 正确释放数组
}
};
class Fclose {
public:
void operator()(FILE* ptr) {
cout << "fclose:" << ptr << endl; // 调试输出
fclose(ptr); // 关闭文件
}
};
//示例
std::unique_ptr> up(new int[10]);
std::unique_ptr fp(fopen("test.txt", "r"));
std::shared_ptr sp1(new int[10], DeleteArray());
std::shared_ptr sp(fopen("test.txt", "r"), Fclose()); lambda删除器
auto delArrOBJ = [](Date* ptr) { delete[] ptr; };
std::unique_ptr up4(new Date[5], delArrOBJ);
//Lambda 表达式的类型是 唯一的匿名类型，必须用 decltype 获取其类型。
//构造时 必须同时传递 lambda 对象，因为 unique_ptr 需要存储它。
//如果不传 delArr，会编译失败：
std::unique_ptr up(new Date[5]); // 错误，缺少删除器实例
std::shared_ptr sp4(new Date[5], delArrOBJ); 4.简单实现
namespace bit
{
template
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
auto_ptr(auto_ptr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
// 管理权转移
sp._ptr = nullptr;
}
auto_ptr& operator=(auto_ptr& ap)
{
// 检测是否为⾃⼰给⾃⼰赋值
if (this != &ap)
{
// 释放当前对象中资源
if (_ptr)
delete _ptr;
// 转移ap中资源到当前对象中
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针⼀样使⽤
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
template
class unique_ptr
{
public:
explicit unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针⼀样使⽤
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
unique_ptr(const unique_ptr&sp) = delete;
unique_ptr& operator=(const unique_ptr&sp) = delete;
unique_ptr(unique_ptr && sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
sp._ptr = nullptr;
}
unique_ptr& operator=(unique_ptr && sp)
{
delete _ptr;
_ptr = sp._ptr;
sp._ptr = nullptr;
}
private:
T* _ptr;
};
template
class shared_ptr
{
public:
explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
{}
template
shared_ptr(T* ptr, D del)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _del(del)
{}
shared_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _del(sp._del)
{
++(*_pcount);
}
void release()
{
if (--(*_pcount) == 0)
{
// 最后⼀个管理的对象，释放资源
_del(_ptr);
delete _pcount;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
++(*_pcount);
_del = sp._del;
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release();
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
int use_count() const
{
return *_pcount;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
//atomic* _pcount;
function _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
};
template
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
{}
weak_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}
private:
T* _ptr = nullptr;
};
}
// 需要注意的是我们这⾥实现的shared_ptr和weak_ptr都是以最简洁的⽅式实现的，只能满⾜基本的功能 5.shared_ptr和weak_ptr
5.1shared_ptr循环引用问题
- shared_ptr⼤多数情况下管理资源⾮常合适，⽀持RAII，也⽀持拷⻉。但是在循环引⽤的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引⽤的场景和资源没释放的原因，并且学会使⽤weak_ptr解决这种问题。
-
如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引⽤计数减到1。
-
右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
-
_next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
-
左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。
- _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
- ⾄此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引⽤，谁都不会释放就形成了循环引⽤，导致内存泄漏
-
把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引⽤计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引⽤，解决了这⾥的问题
struct ListNode
{
int _data;
std::shared_ptr _next;
std::shared_ptr _prev;
// 这⾥改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
// 不增加n2的引⽤计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了
/*std::weak_ptr _next;
std::weak_ptr _prev;*/
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
// 循环引⽤ -- 内存泄露
std::shared_ptr n1(new ListNode);
std::shared_ptr n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
// weak_ptr不⽀持管理资源，不⽀持RAII
// weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引⽤计数，作为⼀些场景的辅助管理
// std::weak_ptr wp(new ListNode); // 错误！不能直接构造
// std::shared_ptr sp = std::make_shared(); // RAII 管理资源
// std::weak_ptr wp(sp); // 正确：wp 观察 sp，但不增加引用计数
return 0;
} | 操作 | n1 的引用计数 |
n2 的引用计数 |
说明 |
|---|---|---|---|
| 初始构造 | 1 | 1 | 只有 n1/n2 各自持有对象 |
n1->_next = n2 |
1（不变） | 1 | weak_ptr 不增加计数 |
n2->_prev = n1 |
1 | 1（不变） | weak_ptr 不增加计数 |
| 作用域结束 | 0（析构） | 0（析构） | 资源正常释放 |
5.2weak_ptr
- weak_ptr不⽀持RAII，也不⽀持访问资源，所以我们看⽂档发现weak_ptr构造时不⽀持绑定到资源，只⽀持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引⽤计数，那么就可以解决上述的循环引⽤问题。
-
weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr⽀持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引⽤计数，weak_ptr想访问资源时，可以调⽤lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。
int main()
{
std::shared_ptr sp1(new string("111111"));
std::shared_ptr sp2(sp1);
std::weak_ptr wp = sp1;
//sp1 和 sp2 共享 "111111" 的所有权，引用计数 = 2，wp 观察 sp1，但不增加引用计数。
cout << wp.expired() << endl; // 0（未过期）
cout << wp.use_count() << endl; // 2（sp1 + sp2）
// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
sp1 = make_shared("222222");
//sp1 不再管理 "111111"，但 sp2 仍持有，因此 "111111" 的引用计数 = 1，wp 仍然观察
//"111111"（未过期）。
cout << wp.expired() << endl; // 0（未过期）
cout << wp.use_count() << endl; // 1（仅剩 sp2）
sp2 = make_shared("333333");
//sp2 释放对 "111111" 的所有权，引用计数归零，"111111" 被销毁，wp 观察的对象已释放，标记
//为过期。
cout << wp.expired() << endl; // 1（已过期）
cout << wp.use_count() << endl; // 0（无 shared_ptr 持有）
wp = sp1; // wp 改为观察 sp1（"222222"）
auto sp3 = wp.lock(); // 安全提升为 shared_ptr
//sp1 管理 "222222"，引用计数 = 1，wp.lock() 返回一个新的 shared_ptr，引用计数增至 2
//（sp1 + sp3）。
cout << wp.expired() << endl; // 0（未过期）
cout << wp.use_count() << endl; // 2（sp1 + sp3）
*sp3 += "###";
cout << *sp1 << endl; // "222222###"
//sp1 和 sp3 共享同一对象，修改会互相可见。
return 0;
} lock返回值规则
| 观察的资源状态 | lock() 的返回值 |
|---|---|
资源未被释放（仍有 shared_ptr 存在） |
返回一个新的 shared_ptr，共享该资源（引用计数+1） |
资源已被释放（无 shared_ptr 持有） |
返回一个空的 shared_ptr（相当于 nullptr） |
1.资源有效
auto sp1 = std::make_shared(42);
std::weak_ptr wp = sp1;
if (auto sp2 = wp.lock()) { // 提升成功
std::cout << *sp2; // 输出 42
} else {
std::cout << "资源已释放";
} 2.资源无效
std::weak_ptr wp;
{
auto sp1 = std::make_shared(42);
wp = sp1;
} // sp1 析构，资源释放
auto sp2 = wp.lock(); // 返回空 shared_ptr
if (!sp2) {
std::cout << "资源已释放"; // 会执行这里
}