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C++基础（16 智能指针）

news 来源：原创 2025/8/30 16:47:20

目录

1. 智能指针的使用场景分析

2. RAII和智能指针的设计思路

3. C++标准库智能指针的使用

4. 智能指针的原理

5. shared_ptr和weak_ptr

5.1 shared_ptr循环引用问题

5.2 weak_ptr

如何检测内存泄漏（了解）

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，否则代码太挫了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（Resource Acquisition Is Initialization）是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利以一种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。

3. C++标准库智能指针的使用

  • C++标准库中的智能指针都在<memory>这个头⽂件下⾯，我们包含<memory>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，他的特点是拷贝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，因为他会到被拷贝对象悬空，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贝，只⽀持移动。如果不需要拷贝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，他的特点是⽀持拷贝，也⽀持移动。如果需要拷贝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。

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，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的思路是不支持拷贝。
  • 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，所以引用计数采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。

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，也⽀持拷贝。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
  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

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

如何检测内存泄漏（了解）

在 linux 下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具
在 windows 下使用第三方工具：VLD工具说明
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编程日记 2025/8/19 21:03:49

VS2015 c++和cmake配置编程

Visual Studio 2015&#xff1a;确保安装了C开发工具&#xff0c;并安装“使用C的桌面开发”工作负载。CMake&#xff1a;可以从 CMake官网 下载并安装&#xff0c;并将其添加到系统环境变量中。vs加载项目启动Visual Studio。选择“继续但无代码”。点击“文件”。选择 “打开…...

编程日记 2025/8/16 12:01:59