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UE学习日志#25、26 C++笔记#11 智能指针

news 来源：原创 2025/5/20 11:44:48

注：本篇内容主要为《C++20高级编程》的学习笔记

当智能指针离开作用域或被重置时，会自动释放所占用的资源。智能指针可用于管理在函数作用域内（或作为类的数据成员）动态分配的资源。也可以通过函数实参来传递动态分配的资源的所有权。

1.可通过模板为任何指针类型编写类型安全的智能指针类

2.可使用运算符重载为智能指针对象提供一个接口，使智能指针对象的使用和普通指针一样

1 unique_ptr

unique_ptr拥有资源的唯一所有权。当unique_ptr被销毁或重置时，资源将自动释放。unique_ptr的一个优点是，内存和资源总会被释放，即使在执行return语句或抛出异常时也是如此。例如，当函数有多个返回语句时，这简化了编码，因为不必记住在每个return语句之前释放资源。
作为经验法则，总是应该将动态分配的有唯一所有者的资源保存在unique_ptr的实例中。

1.1 创建 unique_ptr

考虑下面的函数，这个函数在自由存储区上分配了一个 Simple 对象，但是不释放这个对象，故意产生内存泄漏。

void leaky(){Simple* mySimplePtr{ new Simple() };// BUG! 内存从未被释放！mySimplePtr->go();
}

有时你可能认为，代码正确地释放了动态分配的内存。遗憾的是，这种想法几乎总是不正确的。看看下面的函数：

void couldBeLeaky(){Simple* mySimplePtr { new Simple{} };mySimplePtr->go();delete mySimplePtr;
}

        上面的函数动态分配一个 Simple 对象，使用该对象，然后正确地调用 delete。但是，这个例子仍然可能会产生内存泄漏！如果go方法抛出一个异常，将永远不会调用delete，导致内存泄漏。
        应该使用unique_ptr ,它可通过std:make_unique()辅助函数创建。unique_ptr 是一个泛型的智能指针，可以指向任何类型的内存。因此它是一个类模板，std:make_unique()是一个函数模板。两者都需要尖括号<>之间的模板参数，指定 unique_ptr需要指向的内存类型。
        下面的函数使用了 unique_ptr，而不是原始指针。Simple 对象不会显式释放，但 unique_ptr 实例离开作用域时（在函数的末尾，或者因为抛出了异常），就会在其析构函数中自动释放Simple 对象：

void notLeaky()
{auto mySimpleSmartPtr{ make_unique<Simple>() };mySimpleSmartPtr->go();
}

如果Simple的构造需要参数，就把他们放在make_unique()调用的圆括号里。

C++20中引入的make_unique_for_overwrite()用于优化，基本类型不会初始化，而对象仍然默认构造。

也可以通过构造函数创建：

unique_ptr<Simple> mySimpleSmartPtr{ new Simple() };

但是也可能出现内存泄漏，所以应始终使用make_unique()创建unique_ptr.

1.2 使用 unique_ptr

仍然可以通过*或->对智能指针解引用

mySimpleSmartPtr->go();
(*mySimpleSmartPtr).go();

get()方法可以直接获取底层指针，可将指针传递给需要普通指针的函数：

void processData(Simple* simple){};
processData(mySimpleSmartPtr.get());

reset(),可释放unique_ptr的底层指针，并根据需要将其改成另一个指针

mySimpleSmartPtr.reset();//释放资源并设为nullptr
mySimpleSmartPtr.reset(new Simple());//释放资源并设为一个新的Simple实例

release()可断开于底层指针的连接，返回资源的底层指针，然后将智能指针设为nullptr，但因为智能指针失去对资源的所有权，需要在用完资源时释放资源。

Simple* simple{ mySimpleSmartPtr.release() };
delete simple;
simple = nullptr;

std::move()工具函数可以用于显式移动unique_ptr的所有权（详细会补）

1.3 unique_ptr和C风格的数组

auto myVariableSizedArray { make_unique<int[]>(10) };
myVariableSizedArray[1] = 123;

1.4 自定义deleter

int* my_alloc(int value) { return new int { value }; }
void my_free(int *p){ delete p };int main()
{unique_ptr<int ,decltype(&my_free)> myIntSmartPtr { my_alloc(42),my_free };
}

这个特性很有用，因为还可以管理其他类型的资源而不仅是内存。例如，当unique_ptr离开作用域时，可自动关闭文件或网络套接字以及其他资源。

decltype(&my_free)用于返回my_free()的函数指针类型。

2 shared_ptr

有时，多个对象或代码段需要同一指针的副本。由于unique_ptr无法复制，因此不能用于此类情况。相反，std::shared_ptr是一个可复制的支持共享所有权的智能指针。但是，如果有多个 shared_ptr实例引用同一资源，它们如何知道何时实际释放资源？这可以通过所谓的引用计数来解决，这正是“引用计数的必要性”一节的主题。但首先，让我们看看如何构造和使用 shared_ptr。

2.1 创建并使用 shared_ptr

shared_ptr 的用法与 unique_ptr 类似。要创建 shared_ptr，可使用 make_shared()，它比直接创建shared_ptr 更高效。例如：

auto mySimpleSmartPtr { make_shared<Simple> () };

总是使用 make_shared()创建 shared_ptr.
与unique_ptr一样，类模板参数推断也不适用于 shared_ptr，所以必须指定模板类型。

与unique_ptr类似，make_shared()使用了值初始化。如果你不需要的话，可以使用C++20 的
make_shared_for _overwrite()实现默认初始化，与 make_unique_for_overwrite()用法类似。

从C++17开始，shared_ptr 就可以像 unique_ptr 一样可用于存储动态分配的C风格数组的指针。另外，从C++20开始，你可以使用 make_shared()来做这件事，正如你可以使用 make_unique()一样。

但是，尽管这是可能的，仍建议使用标准库容器而非C风格数组。

与 unique_ptr一样，shared_ptr 也支持 ged()和 reset()方法。唯一的区别在于，当调用 reset()时，仅在最后的 shared_ptr 销毁或重置时，才释放底层资源。注意，shared_ptr 不支持 release()。可使用use_count()方法检索共享同一资源的shared_ptr 实例数量。

与unique_ptr 类似，默认情况下，当存储C风格数组时，shared_ptr 使用标准的new 和 delete 运算符或使用 new[]和 delete[]分配和释放内存，可更改此行为，如下所示：

// Implementation of malloc_int () as before.
shared_ptr<int> myIntSmartPtr { malloc_int(42), my_free };

可以看到，不必将自定义 deleter 的类型指定为模板类型参数，这比 unique_ptr 的自定义 deleter更简便。

2.2 引用计数的重要性

这里只看原书中我觉得重要的一句话：唯一安全得到多个指向同一内存的shared_ptr实例的方法是创建shared_ptr的副本。

2.3 强制转换 share_ptr

正如某种类型的原始指针可以转换为另一种类型的指针一样，存储某种类型的 shared_ptr也可以转换为另一种类型的 shared_ptr。当然，对什么类型可以强制转换为什么类型有限制，并非所有强制转换都有效。可用于强制转换 shared _ptr 的函数有 const_pointer_cast()、dynamic_pointer_cast()、static_pointer_cast()和 reinterpret_pointer_cast()。它们的行为和工作方式类似于非智能指针转换函数const_cast()、dynamic_cast()、static_cast()和 reinterpret_cast()，之后会详细讨论这些方法。

2.4 别名

shared_ptr支持所谓的别名。这允许一个 shared_ptr 与另一个 shared_ptr 共享一个指针（拥有的指针），但指向不同的对象（存储的指针）。例如，这可用于使用一个 shared_ptr 拥有一个对象本身的同时，指向该对象的成员。例如：

class Foo
{public:Foo(int value): m_data { value }{}int m_data;
};auto foo{ make_shared<Foo>(42) };auto aliasing { shared_ptr<int> { foo, &foo->m_data } };

        仅当两个 shared_ptr（foo 和 aliasing）都销毁时，才销毁Foo 对象。
        “拥有的指针”用于引用计数，对指针解引用或调用它的get()时，将返回“存储的指针”。
        警告：
        在现代C++代码中，只有在没有涉及所有权时才允许使用原始指针！如果涉及所有权，默认情况下使用 unique_ptr；如果需要共享所有权，则使用 shared_ptr. 此外，使用 make_ unique() 和 make _shared()创建这些智能指针。这样，几乎不需要直接调用new 运算符，也不需要调用 delete.

3 weak_ptr

在C++中还有一个类与 shared_ptr 有关，那就是 weak_ptr。weak_ptr 可包含由 shared_ptr 管理的资源的引用。week _ptr 不拥有这个资源，所以不能阻止shared_ptr 释放资源。weak_ptr 销毁时（例如离开作用域时）不会销毁它指向的资源，然而，它可用于判断资源是否已经被关联的 shared_ptr 释放了。week_ptr的构造函数要求将一个 shared_ptr 或另一个weak_ptr 作为参数。为了访问weak_ptr 中保存的指针，需要将 weak_ptr 转换为 shared_ptr。这有两种方法：

使用weak_ptr 实例的lock()方法，这个方法返回一个 shared_ptr。如果同时释放了与weak_ptr关联的 shared_ptr，返回的 shared_ptr 是 nullptr。
创建一个新的 shared_ptr 实例，将 weak_ptr作为shared_ptr 构造函数的参数。如果释放了与weak_ptr 关联的 shared_ptr，将抛出 std:bad_weak_ptr 异常。

下例演示了 weak_ptr 的用法：

import <iostream>;
#include<limits>
#include<format>
#include<compare>
import Employee;
using namespace std;class Simple {
public:int m_data{};
};void useResource(weak_ptr<Simple>& weakSimple)
{auto resource{ weakSimple.lock() };if (resource){cout << "Resource still alive." << endl;}else {cout << "Resource has been freed!" << endl;}
}int main()
{auto sharedSimple{ make_shared<Simple>() };weak_ptr<Simple> weakSimple{ sharedSimple };useResource(weakSimple);sharedSimple.reset();useResource(weakSimple);}

运行结果：

4 向函数传递参数

仅当涉及所有权转移或所有权共享时，接受指针作为其参数之一的函数才应该接受智能指针。要共享shared_ptr的所有权，只需要接受按值传递的shared_ptr作为参数。类似地，要转移unique_ptr的所有权，只需要接受按值传递的unique_ptr作为参数。后者需要使用移动语义。

如果既不涉及所有权转移也不涉及所有权的共享，那么函数应该简单地使用 non-const 的引用或 const 引用作为参数；或者如果nullptr是参数的有效值，则应该使用原始指针作为参数。拥有诸如 const shared_ptr<T>& 或 const unique_ptr<T>&的参数类型没有多大意义。

5 从函数中返回

从函数中返回智能指针是高效的。例如：

unique_ptr<Simple> create()
{auto ptr { make_unique<Simple>() };return ptr;
}
int main()
{unique_ptr<Simple> mySmartPtr1 {create()};auto mySmartPtr2{create()};
}

6 enable_shared_from_this

std::enable_shared_from_this 派生的类允许对象调用方法，以安全地返回指向自己的shared_ptr或weak_ptr。如果没有这个基类，返回有效的shared_ptr 或 weak_ptr 的一种方法是将 weak_ptr 作为成员添加到类中，并返回它的副本或返回由它构造的shared_ptr。 enable_shared_from_this 类给派生类添加了以下两个方法：

shared_from_this()--返回一个 shared_ptr，它共享对象的所有权。
weak_from_ this()--返回一个 weak_ptr，它跟踪对象的所有权。

这是一项高级功能，此处不做详述，下面的代码简单演示了它的用法。shared_from_this()和weak_fom_this()都是 public 方法。但是，你可能会觉得 public 接口中的 fom_this 部分令人困惑，因此作为演示，下面的Foo 类定义了自己的方法 getPointer()。

import <iostream>;
#include<limits>
#include<format>
#include<compare>
import Employee;
using namespace std;class Foo : public enable_shared_from_this<Foo>
{public:shared_ptr<Foo> getPointer() {return shared_from_this();}
};int main()
{auto ptr1{ make_shared<Foo>() };auto ptr2{ ptr1->getPointer() };cout <<"ptr1 adress=="<< ptr1 << endl;cout <<"ptr2 adress=="<< ptr2 << endl; cout <<"ptr1.use_count()==" << ptr1.use_count() << endl;cout << "ptr2.use_count()==" << ptr2.use_count() << endl;
}