C++智能指针的使用指南：shared_ptr, unique_ptr和weak_ptr详解

C++智能指针是现代C++中管理动态内存的重要工具，它们可以有效避免手动管理内存时可能出现的内存泄漏问题。本文将详细解析三种主要的智能指针类型：shared_ptr、unique_ptr和weak_ptr，并探讨它们的使用场景及注意事项。

1. 智能指针的基本概念

智能指针是一种用于自动管理动态分配内存的对象包装器。它通过引用计数或其他机制确保在对象不再被使用时自动释放内存。C++11引入了三种标准智能指针：

• std::shared_ptr：允许多个指针共享同一个对象。
• std::unique_ptr：独占所指向的对象，不允许复制。
• std::weak_ptr：不控制对象生命周期的弱引用，通常与shared_ptr配合使用。

2. std::shared_ptr详解

2.1 定义与基本用法

shared_ptr通过引用计数来管理对象的生命周期。当最后一个shared_ptr销毁或重置时，对象会被自动删除。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sp1 = std::make_shared<int>(42); // 创建一个shared_ptr
    std::cout << "sp1 use count: " << sp1.use_count() << "\n"; // 输出1

    {
        std::shared_ptr<int> sp2 = sp1; // 共享同一对象
        std::cout << "sp1 use count: " << sp1.use_count() << "\n"; // 输出2
        std::cout << "sp2 use count: " << sp2.use_count() << "\n"; // 输出2
    }

    std::cout << "sp1 use count: " << sp1.use_count() << "\n"; // 输出1
}

2.2 注意事项

• 使用std::make_shared创建shared_ptr，比直接构造更高效且安全。
• 避免循环引用（circular reference），否则可能导致内存泄漏。

2.3 循环引用示例

struct Node {
    std::shared_ptr<Node> next;
};

int main() {
    std::shared_ptr<Node> n1 = std::make_shared<Node>();
    std::shared_ptr<Node> n2 = std::make_shared<Node>();

    n1->next = n2; // n1 引用 n2
    n2->next = n1; // n2 引用 n1

    // n1 和 n2 的引用计数都为2，导致无法释放
}

3. std::unique_ptr详解

3.1 定义与基本用法

unique_ptr是一种独占所有权的智能指针，不能被复制，但可以通过移动语义转移所有权。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::unique_ptr<int> up1 = std::make_unique<int>(42);
    // std::unique_ptr<int> up2 = up1; // 错误：不能复制

    std::unique_ptr<int> up2 = std::move(up1); // 移动所有权
    if (!up1) {
        std::cout << "up1 is null\n";
    }
    std::cout << *up2 << "\n"; // 输出42
}

3.2 使用场景

• 当只需要单个指针拥有某个对象时，使用unique_ptr更为轻量且高效。
• 配合STL容器使用时，unique_ptr可以很好地管理动态分配的对象。

4. std::weak_ptr详解

4.1 定义与基本用法

weak_ptr是一个不控制对象生命周期的弱引用，通常与shared_ptr配合使用。它可以解决循环引用问题。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
    std::weak_ptr<int> wp = sp;

    if (auto locked = wp.lock()) { // 尝试锁定
        std::cout << *locked << "\n"; // 输出42
    }

    sp.reset(); // 释放shared_ptr
    if (wp.expired()) { // 检查是否过期
        std::cout << "weak_ptr has expired\n";
    }
}

4.2 解决循环引用

结合weak_ptr和shared_ptr可以避免循环引用问题。

struct Node {
    std::shared_ptr<Node> next;
    std::weak_ptr<Node> prev;
};

int main() {
    std::shared_ptr<Node> n1 = std::make_shared<Node>();
    std::shared_ptr<Node> n2 = std::make_shared<Node>();

    n1->next = n2; // n1 引用 n2
    n2->prev = n1; // n2 使用 weak_ptr 引用 n1

    // 此时不会出现循环引用问题
}

5. 总结与选择建议

6. 流程图：智能指针选择逻辑

flowchart TD
    A[需要共享所有权?] -->|是| B[使用 shared_ptr]
    A -->|否| C[需要独占所有权?]
    C -->|是| D[使用 unique_ptr]
    C -->|否| E[使用裸指针或无需指针]