C++ 智能指针

在 C++ 编程语言中，智能指针是标准库（<memory>）中提供的类模板，它们可以自动管理动态分配的内存。它们充当原始指针的包装器，但具有内置的内存管理功能。这些指针主要用作模板，因此我们可以为任何类型的内存创建智能指针。

智能指针有助于防止 C++ 编程中的一些常见内存问题。其中一些问题如下：

• 内存泄漏
• 悬空指针
• 重复删除
• 未管理的资源

智能指针遵循 RAII（资源获取初始化）原则，这意味着内存会被自动获取和释放。我们将实现智能指针，使其能够释放未使用的资源内存。
首先，我们必须创建一个带有 指针、重载运算符（->, *）和 析构函数 的类。之后，当其对象超出作用域时，析构函数将自动调用，并且动态分配的内存也将自动删除。

C++ 中的智能指针示例

让我们通过一个示例来说明 C++ 中的智能指针。

输出

100  

说明

在此示例中，我们演示了一个自定义 SmartPtr 类的智能指针。它管理一个动态分配的整数，并在其析构函数中自动释放内存，从而防止内存泄漏。之后，重载的 * 运算符允许像普通指针一样访问被指向的值。

使用模板类的 C++ 智能指针示例

上面的示例仅适用于 int。现在，我们将创建一个适用于所有 数据类型 的模板。让我们通过另一个示例来说明 C++ 中使用模板类的智能指针。

输出

100  

说明

在此示例中，我们使用 C++ 模板定义了一个通用的智能指针类 SmartPtr，它允许它管理任何类型的动态分配的对象。之后，它会在析构函数中自动删除资源，这有助于防止内存泄漏。重载的 * 和 -> 运算符使得指针般的行为能够访问和修改对象。

智能指针的类型

C++ 中有几种智能指针。其中一些如下：

Unique_ptr

unique_ptr 是一种智能指针，可确保在任何给定时间只有一个 unique_ptr 可以拥有特定资源，从而防止内存泄漏和不可预测的行为。它表示关联的资源会在 unique_ptr 退出其作用域时自动释放，或通过 move() 方法手动移除。

语法

它具有以下语法：

C++ 中 unique_ptr 的特性

C++ 中 unique_ptr 的一些特性如下：

• 它唯一拥有一个资源。
• 它不能被复制，只能转移。
• 当 unique_ptr 超出作用域时，它会自动删除对象。

Unique_ptr C++ 示例

让我们通过一个示例来说明 C++ 中的 Unique_ptr 示例。

输出

100
100  

说明

在此示例中，我们演示了 unique_ptr 如何管理 Rectangle 对象的动态内存。指针的所有权通过 move() 函数从 P1 转移到 P2，从而确保一次只有一个唯一指针拥有该对象。之后，使用箭头运算符访问面积。

Shared_ptr

在 shared_ptr 中，我们可以在同一时间将多个对象指向单个指针。使用 use_count() 方法维护一个引用计数来表示对象。

语法

它具有以下语法：

C++ 中 shared_ptr() 函数的特性

C++ 中 shared_ptr() 函数的一些特性如下：

• 它允许对资源进行共享所有权。
• 它在内部使用引用计数。
• 当最后一个 shared_ptr 被销毁时，内存将被删除。

Shared_ptr C++ 示例

让我们通过一个示例来说明 C++ 中的 shared_ptr。

输出

100
100
100
2  

说明

在此示例中，我们演示了 C++ 中的 shared_ptr。首先，我们有两个智能指针（P1 和 P2），它们共享 Rectangle 对象的拥有权。之后，两个指针都可以访问 area() 方法和 use_count() 方法，该方法显示有多少指针正在管理该对象。

Weak_ptr

weak_ptr 与 shared_ptr 类似。weak 和 shared_ptr 的主要区别在于它不维护引用计数，并且对象对指针没有强引用。此属性可能导致死锁，因为不同的对象将尝试持有指针。

语法

它具有以下语法：

C++ 中 weak_ptr 的特性

C++ 中 weak_ptr 的一些特性如下：

• 对常用共享资源的非拥有者引用。
• 它用于打破可能发生在一个和多个 shared_ptr 实例相互引用的循环引用，这有助于防止内存泄漏。
• 它不影响引用计数。

Weak_ptr C++ 示例

让我们通过一个示例来说明 C++ 中的 weak_ptr。

输出

Parent use count: 1
Child use count: 1
Child destroyed
Parent destroyed
End of scope reached. 

说明

在此示例中，我们演示了 weak_ptr 来避免循环引用。在这里，Parent 类持有 Child 类的 shared_ptr，而 Child 类持有 Parent 类的 weak_ptr。它确保当两个类都超出作用域时，它们的析构函数都会被正确调用，从而防止由循环 shared_ptr 依赖关系引起的内存泄漏。

C++ 中原始指针和智能指针的区别

C++ 中原始指针和智能指针的一些区别如下：

结论

总之，C++ 智能指针通过处理资源分配来自动简化内存管理。它们有助于消除内存泄漏、悬空指针和手动删除调用等问题。std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 等智能指针各自服务于不同的所有权需求。
这些指针支持 RAII，从而促进了安全且更易于维护的代码。智能指针在现代 C++ 中对于干净高效的内存使用是必不可少的。采用它们可以构建更健壮、无错误的应用程序。

智能指针选择题

1) 如果我们尝试在 C++ 中复制 std::unique_ptr，会发生什么？

1. 程序编译并按预期工作
2. 对象已被复制
3. 发生编译时错误
4. 抛出运行时异常

2) 与 C++ 中的原始指针相比，使用智能指针的主要优点是什么？

1. 它们增加了程序的规模
2. 它们有助于防止内存泄漏
3. 它们需要手动内存管理
4. 它们会减慢代码速度

3) 为什么 std::unique_ptr 在 C++ 中被优先用于资源的单一所有权？

1. 它确保了特殊所有权和自动删除
2. 它支持复制
3. 它允许共享访问
4. 它会关闭动态内存

4) std::shared_ptr 在 C++ 中如何管理资源的生命周期？

1. 它立即删除资源
2. 它使用手动删除
3. 当最后一个 shared_ptr 被销毁时，它会删除资源
4. 它从不删除资源

5) 当 unique_ptr 被移动到另一个 unique_ptr 时会发生什么？

1. 两者都指向同一个资源
2. 原始指针被复制
3. 什么也没发生
4. 所有权已转移；原始指针变为 null