【C++】智能指针的使用及其原理

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，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()
{// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array和array2没有得到释放。// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。// 但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案// 是智能指针，否则代码太戳了int* array1 = new int[10];int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢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;
}

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。

template<class T>
class SmartPtr
{
public:// RAIISmartPtr(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<int> sp1 = new int[10];SmartPtr<int> 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;
}
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;
}

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，这是⼀个⾮常糟糕的设计，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。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁⽌使⽤ 这个智能指针的。

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。具体细节下⾯我们再细讲。

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 up1(new Date[5]);shared_ptr sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。

template  <class T, class... Args> 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。

sp1.use_count()‌‌函数用于获取智能指针的引用计数，引用计数表示有多少个智能指针实例指向同一个资源。

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<Date> ap1(new Date);// 拷贝时，管理权限转移，被拷贝对象ap1悬空auto_ptr<Date> ap2(ap1);// 空指针访问，ap1对象已经悬空//ap1->_year++;unique_ptr<Date> up1(new Date);// 不支持拷贝//unique_ptr<Date> up2(up1);// 支持移动，但是移动后up1也悬空，所以使用移动要谨慎//unique_ptr<Date> up3(move(up1));shared_ptr<Date> sp1(new Date);// 支持拷贝shared_ptr<Date> sp2(sp1);shared_ptr<Date> sp3(sp2);cout << sp1.use_count() << endl;//引用计数sp1->_year++;cout << sp1->_year << endl;cout << sp2->_year << endl;cout << sp3->_year << endl;return 0;
}

通过 decltype，你可以让编译器根据给定的表达式自动推断出其类型。

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;}
};class Fclose
{
public:void operator()(FILE* ptr){std::cout << "fclose: " << ptr << std::endl;fclose(ptr);}
};
template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{delete[] ptr;
}int main()
{std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);//特化std::shared_ptr<Date[]> sp2(new Date[10]);// 定制删除器 都可以，相对建议lambdastd::shared_ptr<Date> sp3(new Date[10], [](Date* ptr) {delete[] ptr; });//std::shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);std::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());shared_ptr<FILE>sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {fclose(ptr);});std::unique_ptr<Date>up1(new Date);//std::unique_ptr<Date[]>up1(new Date[10]);// 定制删除器 建议仿函数std::unique_ptr<FILE, Fclose> up3(fopen("Test.cpp", "r"));auto fcloseFunc = [](FILE* ptr) {fclose(ptr); };std::unique_ptr<FILE, decltype(fcloseFunc)> up4(fopen("Test.cpp", "r"), fcloseFunc);return 0;
}

shared_ptr删除器通过构造函数传递，不参与模版参数类型，因此类型推导自动完成，实参传给形参模版自动推导类型，而unique_ptr是通过类声明的方式，删除器需在模板参数中指定类型，那要么就必须要传类型，使用lambda不太方便因为lambda的类型很难获取，这里可以使用decltype来推导。

int main()
{std::shared_ptr<Date>sp1(new Date(2025, 1, 27));shared_ptr<Date>sp2 = make_shared<Date>(2025, 1, 27);shared_ptr<Date> sp4;//if (sp1.operator bool())如果为空返回false不为空返回trueif (sp1)cout << "sp1 is not nullptr" << endl;//if (!sp4)if (!sp4.operator bool())cout << "sp4 is nullptr" << endl;//不支持这样写/* shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11); */return 0;
}

make_shared：功能是在动态内存中分配一个对象并初始化它，返回指向此对象的shared_ptr 

4. 智能指针的原理

下⾯我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核⼼功能，这两个智能指针的实现⽐较简单，⼤家了 解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷⻉时转移资源管理权给被拷⻉对象，这种思路是不被认可 的，也不建议使⽤。unique_ptr的思路是不⽀持拷⻉。

⼤家重点要看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引⽤计数的设计，主要这⾥⼀份资源就需要⼀个 引⽤计数，所以引⽤计数才⽤静态成员的⽅式是⽆法实现的，要使⽤堆上动态开辟的⽅式，构造智 能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引⽤计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引⽤计 数，shared_ptr对象析构时就--引⽤计数，引⽤计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀ 个管理资源的对象，则析构资源。

了解即可

namespace xc
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr){//管理权转移sp._ptr = nullptr;}auto_ptr<T>& operator = (auto_ptr<T>& 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 = nullptr;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

shared_ptr

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;}
};
namespace xc
{template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr), _pcount(new int(1)){}template<class D>shared_ptr(T* ptr, D del): _ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _del(del){}~shared_ptr(){if (--(*_pcount) == 0){//delete _ptr;_del(_ptr);delete _pcount;}}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount){(*_pcount)++;}// sp1 = sp4;// sp4 = sp4;释放了自己在赋值但是sp4变成野指针了// sp1 = sp2;无用功减了再加回来shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){//if()(this != &sp)这种方式检查不了sp1 = sp2;if (_ptr != sp._ptr){if (--(*_pcount) == 0){delete _ptr;delete _pcount;}_pcount = sp._pcount;_ptr = sp._ptr;++(*_pcount);}return *this;}T& operator* (){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}int use_count(){return *_pcount;}private:T* _ptr;int* _pcount; //引用计数//atomi<int>* _pocunt;function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };//删除器};}int main()
{xc::shared_ptr<Date> sp1(new Date);xc::shared_ptr<Date> sp2(sp1);// 拷贝构造xc::shared_ptr<Date> sp3 = sp2;xc::shared_ptr<Date> sp4(new Date);cout << ++sp1->_year << endl;cout << ++sp3->_month << endl;cout << sp1.use_count() << endl;cout << sp4.use_count() << endl;// 赋值拷贝sp1 = sp4;sp4 = sp4;sp1 = sp2;return 0;
}

5. shared_ptr和weak_ptr

5.1 shared_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

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。

2. _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。 比特就业课

3. 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。

4. _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;/*ListNode* _next;ListNode* _prev;std::shared_ptr<ListNode> _next;std::shared_ptr<ListNode> _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<ListNode> _next;std::weak_ptr<ListNode> _prev;~ListNode(){cout << "~ListNode()" << endl;}
};int main()
{// 循环引用 -- 内存泄露std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);std::shared_ptr<ListNode> 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;return 0;
}

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<ListNode> wp(new ListNode);

5.2 weak_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<string> sp1(new string("111111"));std::shared_ptr<string> sp2(sp1);std::weak_ptr<string> wp = sp1;cout << wp.expired() << endl;//返回true表示资源已经销毁，false表示资源还在cout << wp.use_count() << endl;//引用计数// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了sp1 = make_shared<string>("222222");cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;sp2 = make_shared<string>("333333");cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;wp = sp1;//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();auto sp3 = wp.lock();//wp.lock() 用于将 std::weak_ptr 转换为 std::shared_ptr。cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;sp1 = make_shared<string>("4444444");cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;return 0;
}

6. shared_ptr的线程安全问题

shared_ptr的引⽤计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进⾏shared_ptr的拷 ⻉析构时会访问修改引⽤计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引⽤计数是需要加锁或者 原⼦操作保证线程安全的。

shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr 管，它也管不了，应该有外层使⽤shared_ptr的⼈进⾏线程安全的控制。

下⾯的程序会崩溃或者A资源没释放多线程问题导致引用计数可能不为0导致没析构要么析构多次，xc::shared_ptr引⽤计数从int*改成atomic*就可以保证 引⽤计数的线程安全问题，或者使⽤互斥锁加锁也可以。

#include<atomic>
namespace xc
{template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr): _ptr(ptr), _pcount(new atomic<int>(1)){}template<class D>shared_ptr(T* ptr, D del): _ptr(ptr), _pcount(new atomic<int>(1)), _del(del){}~shared_ptr(){if (--(*_pcount) == 0){//delete _ptr;_del(_ptr);delete _pcount;}}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp): _ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount){(*_pcount)++;}// sp1 = sp4;// sp4 = sp4;// sp1 = sp2;shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){//if (this != &sp)if (_ptr != sp._ptr){if (--(*_pcount) == 0){delete _ptr;delete _pcount;}_pcount = sp._pcount;_ptr = sp._ptr;++(*_pcount);}return *this;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}int use_count(){return *_pcount;}private:T* _ptr;//int* _pcount;atomic<int>* _pcount;  // 原子操作function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };};
}
#include <thread>
#include <mutex>
struct AA
{int _a1 = 0;int _a2 = 0;~AA(){cout << "~AA()" << endl;}
};
int main()
{xc::shared_ptr<AA> p(new AA);const size_t n = 100000;mutex mtx;auto func = [&](){for (size_t i = 0; i < n; ++i){// 这⾥智能指针拷⻉会++计数xc::shared_ptr<AA> copy(p);{unique_lock<mutex> lk(mtx);copy->_a1++;copy->_a2++;}}};thread t1(func);thread t2(func);t1.join();t2.join();cout << p->_a1 << endl;cout << p->_a2 << endl;cout << p.use_count() << endl;return 0;
}

不是同时加而是第一个加完下一个加

7. C++11和boost中智能指针的关系

Boost库是为C++语⾔标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建⽴的初衷之⼀就是为 C++的标准化⼯作提供可供参考的实现，Boost社区的发起⼈Dawes本⼈就是C++标准委员会的成员 之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个⽅向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法 和库有很多都是从Boost中来的。

C++ 98 中产⽣了第⼀个智能指针auto_ptr。

C++ boost给出了更实⽤的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等

C++ TR1，引⼊了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。

C++ 11，引⼊了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的 scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

8. 内存泄漏

8.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使⽤的内存，⼀般是忘记释 放或者发⽣异常释放程序未能执⾏导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，⽽是应⽤程序分 配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因⽽造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：普通程序运⾏⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不⼤，进程正常结束，⻚表的映射 关系解除，物理内存也可以释放。⻓期运⾏的程序出现内存泄漏，影响很⼤，如操作系统、后台服 务、⻓时间运⾏的客⼾端等等，不断出现内存泄漏会导致可⽤内存不断变少，各种功能响应越来越 慢，最终卡死。

int main()
{// 申请⼀个1G未释放，这个程序多次运⾏也没啥危害// 因为程序⻢上就结束，进程结束各种资源也就回收了char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << (void*)ptr << endl;return 0;
}

8.2 如何检测内存泄漏（了解）

linux下内存泄漏检测：linux下⼏款内存泄漏检测⼯具

windows下使⽤第三⽅⼯具：windows下的内存泄露检测⼯具VLD使⽤_windows内存泄漏检测⼯ 具-CSDN博客

8.3 如何避免内存泄漏

⼯程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理 想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下⼀条智能指针来管理 才有保证。

尽量使⽤智能指针来管理资源，如果⾃⼰场景⽐较特殊，采⽤RAII思想⾃⼰造个轮⼦管理。

定期使⽤内存泄漏⼯具检测，尤其是每次项⽬快上线前，不过有些⼯具不够靠谱，或者是收费。

总结⼀下：内存泄漏⾮常常⻅，解决⽅案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错 型。如泄漏检测⼯具。