C++ 指针与智能指针详解

C++ 中的指针和智能指针是内存管理的核心工具，理解它们的异同和使用规范对编写安全高效的代码至关重要。以下是详细解析：

1. 指针类型分类

2. 智能指针种类与异同
2.1 std::unique_ptr（独占指针）
• 核心特性：

• 独占所有权：同一时间只能有一个 unique_ptr 指向对象。

• 不可复制：只能通过移动语义转移所有权。

• 适用场景：

• 需要明确资源唯一所有权的场景（如工厂模式返回对象）。

• 示例：

std::unique_ptr<int> p1(new int(10));
std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1);  // 转移所有权，p1 变为 nullptr

2.2 std::shared_ptr（共享指针）
• 核心特性：

• 共享所有权：多个 shared_ptr 可指向同一对象，通过引用计数管理生命周期。

• 线程安全：引用计数的增减是原子操作。

• 适用场景：

• 需要多个对象共享同一资源的场景（如多线程共享数据）。

• 示例：

std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>(20);
std::shared_ptr<int> p2 = p1;  // 引用计数增加，p1 和 p2 共享所有权

2.3 std::weak_ptr（弱引用指针）
• 核心特性：

• 弱引用：不增加引用计数，避免循环引用导致的内存泄漏。

• 需升级为 shared_ptr：通过 lock() 方法获取临时 shared_ptr。

• 适用场景：

• 解决 shared_ptr 的循环引用问题（如观察者模式）。

• 示例：

std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>(30);
std::weak_ptr<int> wp = p1;
if (auto p2 = wp.lock()) {  // 尝试获取 shared_ptr
    // 使用 p2
}

2.4 auto_ptr（已弃用）
• 核心特性：

• 已弃用：C++11 后被 unique_ptr 取代。

• 所有权转移：赋值操作会转移所有权，但语义不清晰。

• 示例：

std::auto_ptr<int> p1(new int(40));  // C++11 前使用
std::auto_ptr<int> p2 = p1;          // 所有权转移，p1 变为 nullptr

3. 智能指针与原始指针的异同

4. 使用注意事项
4.1 所有权管理
• unique_ptr：

• 禁止复制，只能移动（使用 std::move）。

• 示例错误：

std::unique_ptrp1(new int(10));
std::unique_ptrp2 = p1;  // 编译错误！

• shared_ptr：

• 避免循环引用（如 A 持有 B 的 shared_ptr，B 又持有 A 的 shared_ptr）。

• 使用 weak_ptr 打破循环。

4.2 性能优化
• make_shared/make_unique：

• 推荐使用工厂函数创建智能指针，减少内存分配次数（单次分配对象和引用计数）。

• 示例：

auto p = std::make_shared(100);  // 更高效

• 避免裸指针转换：

• 不要将智能指针隐式转换为原始指针后传递给可能删除它的函数。

4.3 线程安全
• shared_ptr 的引用计数：

• 引用计数的增减是线程安全的，但指向的对象本身需额外同步。

• 示例：

std::shared_ptrp = std::make_shared(200);
std::thread t1([&p](){ /* 读写 p 指向的数据需加锁 */ });
std::thread t2([&p](){ /* 读写 p 指向的数据需加锁 */ });

4.4 异常安全
• 异常场景：

• 智能指针在异常抛出时仍会自动释放内存，避免资源泄漏。

• 示例：

void risky() {
        auto p = std::make_unique(300);
        throw std::runtime_error("Oops!");  // p 自动释放}

5. 常见错误与解决方案

6. 总结
• 优先使用智能指针：unique_ptr 用于独占资源，shared_ptr 用于共享资源，weak_ptr 用于打破循环。

• 避免原始指针：除非与 C 接口交互或需要极低开销。

• 遵循 RAII 原则：资源获取即初始化，确保异常安全和内存安全。

通过合理选择智能指针类型并遵循最佳实践，可以显著提升代码的安全性和可维护性。