智能指针到底该怎么用：现代C++内存管理实践指南

为什么需要智能指针？

在C++开发中，手动管理内存资源（如new/delete）容易导致：

• 内存泄漏：忘记释放资源
• 悬垂指针：访问已释放的内存
• 双重释放：多次删除同一对象

智能指针通过RAII（Resource Acquisition Is Initialization）技术自动管理资源生命周期：

1. 在构造函数中获取资源
2. 在析构函数中释放资源
3. 确保异常安全（即使发生异常也能正确释放资源）

// 传统方式 - 有内存泄漏风险
void unsafe_example() {
    int* raw_ptr = new int(42);
    // 如果这里抛出异常...
    delete raw_ptr; // 可能不会执行
}

// 智能指针方式 - 异常安全
void safe_example() {
    std::unique_ptr<int> smart_ptr = std::make_unique<int>(42);
    // 即使抛出异常，资源也会自动释放
}

三大智能指针使用场景

1. unique_ptr：独占所有权指针

• 适用场景：
  • 工厂函数返回对象
  • 作为类成员（明确所有权关系）
  • 局部临时对象管理

// 工厂函数示例
std::unique_ptr<Connection> create_connection() {
    return std::make_unique<Connection>("db://localhost");
}

// 类成员示例
class DeviceController {
private:
    std::unique_ptr<Device> device_; // 明确设备所有权
public:
    DeviceController() 
        : device_(std::make_unique<Device>()) {}
};

2. shared_ptr：共享所有权指针

• 适用场景：
  • 多对象共享同一资源
  • 缓存系统
  • 观察者模式（需配合weak_ptr）

// 共享配置数据
class AppConfig {
public:
    static std::shared_ptr<AppConfig> load() {
        static auto config = std::make_shared<AppConfig>();
        return config;
    }
};

// 多模块共享配置
void module1() {
    auto config = AppConfig::load();
    // 使用配置...
}

void module2() {
    auto config = AppConfig::load();
    // 使用相同配置...
}

3. weak_ptr：解决循环引用问题

• 适用场景：
  • 打破shared_ptr循环引用
  • 实现缓存和观察者模式
  • 临时访问共享资源

class Observer {
    std::weak_ptr<Subject> subject_; // 避免循环引用
    
public:
    void observe(std::shared_ptr<Subject> subject) {
        subject_ = subject;
    }
    
    void notify() {
        if (auto subject = subject_.lock()) {
            // 安全访问
            subject->update();
        }
    }
};

智能指针最佳实践

1. 优先使用make_unique/make_shared

// 好：单次内存分配（控制块+对象）
auto ptr1 = std::make_shared<Widget>();

// 不好：两次内存分配
std::shared_ptr<Widget> ptr2(new Widget);

2. 避免裸指针转换

// 危险：可能造成双重释放
Widget* raw = new Widget;
std::shared_ptr<Widget> p1(raw);
std::shared_ptr<Widget> p2(raw); // 错误！

// 正确方式
auto p1 = std::make_shared<Widget>();
auto p2 = p1; // 共享所有权

3. 自定义删除器处理特殊资源

// 文件句柄管理
std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)> 
    file_ptr(fopen("data.txt", "r"), &fclose);

// 数组类型
std::shared_ptr<int[]> arr(new int[10], 
    [](int* p) { delete[] p; });

4. 多线程注意事项

std::shared_ptr<Counter> global_counter;

void thread_work() {
    // 线程安全：引用计数原子操作
    auto local_counter = global_counter;
    
    // 非线程安全：需要额外同步
    if (!local_counter) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        if (!global_counter) {
            global_counter = std::make_shared<Counter>();
        }
        local_counter = global_counter;
    }
}

常见陷阱与调试技巧

陷阱1：循环引用

struct Node {
    std::shared_ptr<Node> next;
    // std::weak_ptr<Node> prev; // 正确方式
    std::shared_ptr<Node> prev; // 导致循环引用
};

auto node1 = std::make_shared<Node>();
auto node2 = std::make_shared<Node>();
node1->next = node2;
node2->prev = node1; // 引用计数永远不会归零

解决方案：使用weak_ptr打破循环

陷阱2：返回unique_ptr的原始指针

class ResourceHolder {
    std::unique_ptr<Resource> resource_;
public:
    Resource* get() const { return resource_.get(); } // 危险！
};

// 外部可能delete指针导致双重释放

解决方案：返回weak_ptr或const引用

调试技巧：使用enable_shared_from_this

class Session : public std::enable_shared_from_this<Session> {
public:
    void process() {
        // 安全获取自身的shared_ptr
        auto self = shared_from_this();
        queue_.push(self); // 放入任务队列
    }
};

C++17/20智能指针增强

C++17特性

// 数组支持
std::unique_ptr<int[]> arr = std::make_unique<int[]>(10);

// 结构化绑定
auto [ptr1, ptr2] = std::make_tuple(
    std::make_unique<int>(1),
    std::make_unique<int>(2)
);

C++20特性

// 原子shared_ptr
std::atomic<std::shared_ptr<Config>> atomic_config;

// make_shared支持对齐内存
auto aligned_ptr = std::make_shared<AlignedStruct>();

总结：何时使用哪种智能指针？

场景	推荐指针	说明
独占资源	unique_ptr	明确所有权，零开销
共享资源	shared_ptr	需要共享访问权
缓存/观察	weak_ptr	避免循环引用
特殊资源	自定义删除器	文件句柄、数组等
多线程共享	atomic	C++20起可用