C++智能指针的知识！

个人主页：PingdiGuo_guo

收录专栏：C++干货专栏

大家好呀，我是PingdiGuo_guo，今天我们来学习一下智能指针。

文章目录

1.智能指针的概念

2.智能指针的思想

3.智能指针的作用

3.1 自动内存管理

3.2 共享所有权

3.3 避免悬挂指针

4.智能指针的操作

4.1 初始化

4.2 拷贝与移动

4.3 访问与解引用

5.智能指针的分类

5.1 unique_ptr（独占指针）

5.2 shared_ptr（共享指针）

5.3 weak_ptr（弱指针）

5.4 auto_ptr（自动指针）

6.智能指针的练习

6.1题目

6.2步骤

6.3完整代码

7.注意事项

8.智能指针和常规指针的对比

8.1功能和使用方式

8.2内存管理

8.3安全性

8.4总结

9.总结

1.智能指针的概念

智能指针是在C++中用于管理堆内存的对象，它是C++标准库提供的一个抽象层，用来封装原始的裸指针。智能指针本质上是一个类，它有一个指向动态分配对象的成员变量，并且该类重载了运算符和其他必要的方法，以便在适当的时间自动释放所指向的对象。这相当于把资源管理的责任从程序员转移到了智能指针对象上，遵循了RAII（Resource Acquisition Is Initialization）的原则。

2.智能指针的思想

智能指针的核心思想在于将内存资源的生命周期绑定到某个特定的对象（智能指针对象）上，而不是依赖于程序执行流程中的某些逻辑判断来决定何时释放内存。当智能指针对象不再需要（例如，出了作用域或被删除时），它会自动清理自己管理的内存，从而消除因忘记释放内存而导致的内存泄漏问题。

3.智能指针的作用

3.1 自动内存管理

智能指针能确保在其生命周期结束后自动释放其管理的堆内存资源。

3.2 共享所有权

某些类型的智能指针（如std::shared_ptr）支持多个智能指针共享同一份动态分配的内存，只有当所有共享此内存的智能指针都被销毁时，内存才会真正释放。

3.3 避免悬挂指针

智能指针通过维护内部计数器或其他机制，可以防止在内存已经被释放后仍访问该内存的情况，从而避免悬挂指针错误。

4.智能指针的操作

4.1 初始化

创建智能指针时，可以通过传递给构造函数一个new表达式的结果来初始化智能指针，使其开始管理一块内存。

std::unique_ptr<int> uptr(new int(42));

4.2 拷贝与移动

- 普通拷贝：对于std::unique_ptr来说，拷贝构造函数和赋值运算符被禁用，因为唯一所有权不允许复制；而对于std::shared_ptr，拷贝会增加引用计数。
- 移动操作：智能指针通常支持移动构造函数和移动赋值运算符，它们会转移资源的所有权，使得原智能指针变为空指针，而目标智能指针接管资源管理。

4.3 访问与解引用

智能指针提供了类似于普通指针的操作，可以通过->运算符访问成员，或者通过解引用运算符*直接访问对象。

std::cout << *uptr; // 输出42
uptr->some_method(); // 调用智能指针所指对象的方法

5.智能指针的分类

智能指针通常分为以下几类：

5.1 unique_ptr（独占指针）

unique_ptr是C++11引入的一种独占式智能指针，它通过使用“独占权”来确保资源的单一所有者。这意味着在同一时间只有一个unique_ptr可以拥有一个资源，并且当unique_ptr销毁时，它所拥有的资源会被自动释放。

#include <memory>

int main() {
  std::unique_ptr<int> ptr(new int);
  *ptr = 10;
  // unique_ptr会在作用域结束时自动释放资源
  return 0;
}

5.2 shared_ptr（共享指针）

shared_ptr是一种通过“引用计数”来共享资源的智能指针。它可以有多个shared_ptr同时拥有同一个资源，每个shared_ptr都会维护一个计数器，用于追踪资源的引用数。只有当引用计数降为0时，资源才会被释放。

#include <memory>

int main() {
  std::shared_ptr<int> ptr1(new int);
  std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;
  *ptr1 = 10;
  *ptr2 = 20;
  // 此时引用计数为2
  return 0;
}

5.3 weak_ptr（弱指针）

weak_ptr是一种特殊的共享指针，它可以“观测”shared_ptr的资源，而不拥有该资源。weak_ptr并不会影响资源的生命周期，当其所观测的资源被释放后，weak_ptr会自动变为空指针。

#include <memory>

int main() {
  std::shared_ptr<int> ptr(new int);
  std::weak_ptr<int> weakPtr = ptr;
  // 此时weakPtr观测ptr所指向的资源
  ptr.reset();
  // 此时资源已被释放，weakPtr变为空指针
  return 0;
}

5.4 auto_ptr（自动指针）

auto_ptr是C++98中提供的一种智能指针，用于进行简单的资源管理。与unique_ptr类似，auto_ptr也是一种独占式的智能指针，但它的语义和行为比较特殊，容易引发一些不可预料的问题。由于其语义问题，auto_ptr在C++11中已被弃用。

#include <memory>

int main() {
  std::auto_ptr<int> ptr(new int);
  *ptr = 10;
  // auto_ptr会在作用域结束时自动释放资源
  return 0;
}

总结起来，智能指针是C++中一种方便且安全的资源管理工具。通过使用智能指针，我们能够避免手动管理内存资源的复杂性和潜在错误，提高代码的可靠性和可维护性。

6.智能指针的练习

6.1题目

实现一个具有引用计数功能的智能指针类，用于管理动态分配的整型数据。

6.2步骤

1. 创建一个智能指针类SmartPointer，其中包含一个指向整型数据的指针和一个整型的引用计数变量。在构造函数中，为指针分配内存并将引用计数初始化为1。

#include <iostream>

class SmartPointer {
public:
    SmartPointer(int* pData) : m_pData(pData), m_pCount(new int(1)) {
        std::cout << "Create SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
    }
    // 省略其他成员函数
private:
    int* m_pData;
    int* m_pCount;
};

2. 实现拷贝构造函数，它将另一个SmartPointer对象作为参数。在拷贝构造函数中，将指针和引用计数变量分别指向原始对象的成员，并将引用计数递增。

SmartPointer(const SmartPointer& other) : m_pData(other.m_pData), m_pCount(other.m_pCount) {
    ++(*m_pCount);
    std::cout << "Copy SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
}

3. 实现析构函数，用于在引用计数变为0时释放内存。在析构函数中，将引用计数递减，若引用计数为0，则释放指针指向的内存。

~SmartPointer() {
    --(*m_pCount);
    if (*m_pCount == 0) {
        delete m_pData;
        delete m_pCount;
        std::cout << "Delete SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
    }
}

4. 重载赋值运算符，用于实现对象的赋值操作。在赋值运算符中，需要先递减原对象的引用计数，然后再递增赋值对象的引用计数。

SmartPointer& operator=(const SmartPointer& other) {
    if (this != &other) {
        --(*m_pCount);
        if (*m_pCount == 0) {
            delete m_pData;
            delete m_pCount;
            std::cout << "Delete SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
        }
        m_pData = other.m_pData;
        m_pCount = other.m_pCount;
        ++(*m_pCount);
        std::cout << "Assign SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
    }
    return *this;
}

5. 创建一个测试函数，在函数中创建多个SmartPointer对象，并进行赋值操作。

void test() {
    SmartPointer sp1(new int(5));
    SmartPointer sp2(sp1);
    SmartPointer sp3(new int(10));
    sp3 = sp2;
}

6. 在主函数中调用测试函数并观察输出结果。

int main() {
    test();
    return 0;
}

6.3完整代码

#include <iostream>

class SmartPointer {
public:
    SmartPointer(int* pData) : m_pData(pData), m_pCount(new int(1)) {
        std::cout << "Create SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
    }
    
    SmartPointer(const SmartPointer& other) : m_pData(other.m_pData), m_pCount(other.m_pCount) {
        ++(*m_pCount);
        std::cout << "Copy SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
    }
    
    ~SmartPointer() {
        --(*m_pCount);
        if (*m_pCount == 0) {
            delete m_pData;
            delete m_pCount;
            std::cout << "Delete SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
        }
    }
    
    SmartPointer& operator=(const SmartPointer& other) {
        if (this != &other) {
            --(*m_pCount);
            if (*m_pCount == 0) {
                delete m_pData;
                delete m_pCount;
                std::cout << "Delete SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
            }
            m_pData = other.m_pData;
            m_pCount = other.m_pCount;
            ++(*m_pCount);
            std::cout << "Assign SmartPointer with data " << *m_pData << std::endl;
        }
        return *this;
    }
    
private:
    int* m_pData;
    int* m_pCount;
};

void test() {
    SmartPointer sp1(new int(5));
    SmartPointer sp2(sp1);
    SmartPointer sp3(new int(10));
    sp3 = sp2;
}

int main() {
    test();
    return 0;
}