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C++ 智能指针底层逻辑揭秘：优化内存管理的核心技术解读

news 来源：原创 2025/9/5 23:55:33

0.为什么需要智能指针？

1.智能指针的使用及原理

RAII：

智能指针的原理：

2.智能指针有哪些？

std::auto_ptr

std::unique_ptr

std::shared_ptr

std::weak_ptr

0.为什么需要智能指针？

想要回答这个问题，首先要来看一个没有智能指针存在的场景：

int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
void Func()
{int* p1 = new int;int* p2 = new int;cout << div() << endl;delete p1;delete p2;
}
int main()
{try{Func();}catch (exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

思考：如果p1这里new 抛异常会如何？如果p2这里new 抛异常会如何？如果div调用又会抛异常会如何？毫无疑问，如果new开辟空间时抛出异常亦或是div调用时候抛出异常都会导致p1p2就没有及时释放，造成内存泄露！但如果我们依次在抛出异常前手动释放掉资源又会显得繁琐，这时就需要智能指针！

1.智能指针的使用及原理

先来介绍一下智能指针运用到了什么原理：

RAII：

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种 利用对象生命周期来控制程序资源 （如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

在对象构造时获取资源 ，接着控制对资源的访问使之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。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：不需要显式地释放资源。采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if(_ptr)delete _ptr;}private:T* _ptr;
};

上面就是根据RAII思想大致设计出的智能指针，指针内部存储的是对象的地址，这样就相当于把资源的地址交给一个类对象管理，当这个类销毁时调用析构函数就不需要手动释放了！

智能指针的原理：

上面其实与真正的智能指针的框架大差不差，但是因为还要具备指针的行为，因此需要重载一下operator*以及operator->两个操作符函数：

template<class T>
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if(_ptr)delete _ptr;}T& operator*() {return *_ptr;}T* operator->() {return _ptr;}
private:T* _ptr;
};

这样就有了一个完整智能指针的雏形了~

2.智能指针有哪些？

std::auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针，让我们先来看一下关于auto_ptr的一些介绍：

但其实auto_ptr是许多程序员不喜欢使用的智能指针，因此存在指针悬空的问题：

void test()
{//c++98中提供auto_ptrauto_ptr<A> ap1(new A(1));auto_ptr<A> ap2(new A(2));auto_ptr<A> ap3(ap1);//这里用sp1去构造sp3就会出现指针悬空的问题(ap1->a)++;//sp1被置为空后再去访问就会报错(ap2->a)++;}

在上面的场景中就出现了指针悬空的问题，这里进行了管理权转移，ap1将管理权交给了ap3，那么ap3构造的时候会将ap1置为nullptr，如果此时再去对ap1进行访问就属于非法的！

下面来简单实现一下auto_ptr，以便我们明了具体结构：

思路：

---1--- 其实大致框架已经在前面给出了，完成了operator->以及operator*函数的重写，这里需要完成的是拷贝构造函数

---2--- 在拷贝构造函数中，需要把地址传给成员变量，将参数的地址置为nullptr

template<class T>
class auto_ptr
{
public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){ }auto_ptr(auto_ptr<T>& ptr):_ptr(ptr._ptr){ptr._ptr = nullptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private:T* _ptr;
};

如果不想要这种危险的情况发生，可以使用std::unique_ptr：

std::unique_ptr

顾名思义，unique则代表的是唯一，也就是说此智能指针不能拷贝构造一个新的同类型对象，先让我们看看介绍：

那么如果你试图用一个unique_ptr对象去拷贝构造一个新对象，这种行为在编译时就会报错：

void test()
{unique_ptr<A> up1(new A(1));unique_ptr<A> up2(new A(2));//unique_ptr直接进行了反拷贝操作，禁止了这种指针拷贝行为unique_ptr<A> up3(up1);
}

为什么会有删除函数这样的报错，是因为unique_ptr的底层实现了反拷贝：

我们来模拟实现一下unique_ptr:

思路：

---1--- 大致框架还是相同，不同的是这样要如何实现反拷贝？

---2--- 如果你使用C++98那么反拷贝应该将拷贝构造函数以及赋值函数只声明不实现

---3--- 如果你使用C++11那么只需将这两个函数设置为=delete即可，这也是为什么报错显示函数已经被删除

template<class T>
class unique_ptr
{
public:unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private://unique这里用到了反拷贝，c++98中也可以只声明不实现，将声明放到private中unique_ptr(unique_ptr<T>& ptr) = delete;unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;T* _ptr;
};

那么如果我就是要实现可以拷贝构造和赋值构造的智能指针呢？登场的是std::shared_ptr：

std::shared_ptr

顾名思义，shared就是可以共享，那么就代表此类型的智能指针可以实现多个指针指向同一块内存，先来看看介绍：

那么如果你使用shared_ptr去构造和赋值，都是可以通过编译的：

void test()
{bit::shared_ptr<A> sp1(new A(1));bit::shared_ptr<A> sp2(new A(2));bit::shared_ptr<A> sp3(sp1);//这里支持拷贝，是因为实现了引用计数sp2 = sp3;
}

话不多说，来看看底层实现:

思路：

---1--- 框架没有变化，但是如果要实现shared_ptr的拷贝构造和赋值构造就要一点难度了：

---2--- 为什么shared_ptr可以支持多个对象指向同一内存？这里运用了引用计数，每个对象销毁时计数-1，直到减为0时，这块内存发生析构释放，这里最适合来进行技术的是int*类型的对象，为什么不是static或者是int，static只会实例化一份，无法实现多个对象的引用计数，int又会导致每个对象的引用计数都是拷贝，无法从根本修改计数

---3--- 默认构造：先new int，初始化为1即可

---4--- 拷贝构造：将指针赋值，将计数+1，并把地址赋值一下

---5--- 赋值构造：不仅仅是计数的增加以及指针的赋值，还要考虑原指针指向的内存是否应该释放

template<class T>
class shared_ptr
{
public:shared_ptr(T* ptr=nullptr):_ptr(ptr), _pcount(new int(1)){}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr){++(*(sp._pcount));_pcount = sp._pcount;}shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){//在改变被赋值对象的指针之前，先要考虑是否要释放被赋值对象管理的内存资源//也就是说改变指针之前要对原理管理资源的pcount--，如果减到0就需要释放//首先要考虑指向通过一块内存的两个指针相互赋值，如果不同名只是麻烦一点，如果同名那么就会造成释放后再去访问的问题if (sp._ptr == _ptr){return *this;}//对于被赋值的要记得减去引用计数来决定是否释放内存，防止造成内存泄漏if (--(*_pcount) == 0){delete _ptr;delete _pcount;}_ptr = sp._ptr;++*(sp._pcount);_pcount = sp._pcount;return *this;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get()const//返回指针{return _ptr;}size_t use_count()const//返回引用计数的个数{return *_pcount;}~shared_ptr(){if (--(*_pcount) == 0){_del(_ptr);delete _pcount;}}
private:T* _ptr;//shared_ptr可以支持多个指针指向同一块空间，怎么实现？//引用计数，如何实现？使用static int不可行，因为多个对象只能有一个static，//但是每一块资源都需要一个计数int* _pcount;};

但是，shared_ptr也会产生相应的问题，那就是引用循环：

引用循环（Reference Cycle），也被称为循环引用，它会引发内存泄漏等问题。

定义：引用循环指两个或多个对象之间相互持有对方的引用，形成一个闭环引用结构，导致这些对象无法被正常释放，造成内存资源的浪费。例如，对象 A 持有对象 B 的引用，而对象 B 又持有对象 A 的引用，这样就形成了引用循环。

假设存在两个类A和B ，它们的定义如下：

#include <memory>
class B;
class A {
public:std::shared_ptr<B> b_ptr;~A() {std::cout << "A destroyed" << std::endl;}
};
class B {
public:std::shared_ptr<A> a_ptr;~B() {std::cout << "B destroyed" << std::endl;}
};void test() {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;
}

在test函数结束时，a和b所指向的对象本应被释放，但由于它们相互引用，引用计数都不会降为 0，这里值得细说一下：a_ptr由b管理，当b析构时a_ptr发生析构，但是b_ptr又管理b，当b_ptr发生析构，b才会析构，那么b_ptr由谁管理呢？a，当a发生析构b_ptr才会析构，但是a又被a_ptr管理着，这就构成了死循环，最后引用计数由2->1，会导致内存泄漏。

如何解决？weak_ptr登场：不过在这之前先要补充定制删除器：如果让智能指针管理开辟的数组，该如何释放呢？shared_ptr提供了这样的接口：

这里的D可以传入函数指针，仿函数亦或是lambda表达式：

void test_sp4()
{//如果new了一个数组，又该如何释放呢？//了解定制删除器：new A[10]//template <class U, class D> shared_ptr (U* p, D del);//template <class D> shared_ptr(nullptr_t p, D del);//库中用了模板D来控制，其实是仿函数,同时也可以接收lameda表达式std::shared_ptr<A> sp1(new A[10], [](const A* ptr) { delete[] ptr; });std::shared_ptr<A> sp2((A*)malloc(sizeof(A)*10), Destroy<A>());std::shared_ptr<FILE> sp3(fopen("SmartPtr.hpp", "r"), [](FILE* ptr) {return fclose(ptr); });//ps：这里的A是作者自定义的类
}

这是怎么做到的呢？其实是用到了U实例化后的包装器来接收传入的函数指针，仿函数亦或是lambda表达式，并使用模板来处理，这样在析构函数的时候使用包装器传入要释放资源的指针即可：（了解一下，理解即可）

template<class T>
class shared_ptr
{
public:template<class D>shared_ptr(T* ptr,D del):_ptr(ptr),_pcount(new int(1)),_del(del){}function<void(T*)> _del;//使用包装器来解决模板参数无法涉及析构函数的问题
};

std::weak_ptr

weak_ptr可以理解为是专门用于处理循环引用的问题的指针，但请注意并没有采用RAII思想来搭建，所以并不属于智能指针：

可以看到，weak_ptr并不支持传参构造，通常用shared_ptr去构造weak_ptr，那么如果这样使用weak_ptr就可以正常析构：

#include <memory>
class B;
class A {
public:std::weak_ptr<B> b_ptr;//这里改成了weak_ptr~A() {std::cout << "A destroyed" << std::endl;}
};
class B {
public:std::weak_ptr<A> a_ptr;//这里改成了weak_ptr~B() {std::cout << "B destroyed" << std::endl;}
};void test() {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;
}

原理是什么呢？其实weak_ptr并没有处理shared_ptr中的引用计数部分，只负责了指针的拷贝，这才使得循环引用得以解决，请注意weak_ptr不属于RAII智能指针，可以参与资源的访问，但是不参与资源的释放！！！

模拟实现一下：

思路：

---1--- 其实很简单，只用实现shared_ptr构造和默认构造即可，直接给出：

template<class T>
class weak_ptr
{
public:weak_ptr()//不支持传参构造:_ptr(nullptr){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)//支持sharedptr构造:_ptr(sp._ptr){ }weak_ptr<T>& operator=(const weak_ptr<T>& wp){_ptr = wp._ptr;return *this;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private:T* _ptr;
};

0.为什么需要智能指针？

1.智能指针的使用及原理

RAII：

智能指针的原理：

2.智能指针有哪些？

std::auto_ptr

std::unique_ptr

std::shared_ptr

std::weak_ptr

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