C++语法介绍 -- 《智能指针》

本文分析了C++智能指针的使用场景与设计原理。主要内容包括：智能指针解决传统指针在异常处理时的内存泄漏问题，通过RAII机制自动管理资源生命周期。标准库提供的智能指针类型： auto_ptr（已废弃）：采用所有权转移策略 unique_ptr：禁止拷贝，支持移动 shared_ptr：引用计数实现共享所有权 weak_ptr：解决shared_ptr循环引用问题智能指针核心特性：支持定制删

我要升天！

1068人浏览 · 2025-08-25 19:19:37

我要升天！ · 2025-08-25 19:19:37 发布

智能指针的使用场景分析

下⾯程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后⾯的delete没有得到执⾏，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本⾝也可能抛异常，连续的两个new和下⾯的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很⿇烦。智能指针放到这样的场景⾥⾯就让问题简单多了。

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void fun()
{
	int* p1 = new int[10];
	int* p2 = new int[10];
	//但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案-->智能指针
	try
	{
		int a, b;
		cin >> a >> b;
		//如果发生了除0问题，就会抛异常，资源就不能得到正确处理
		cout << Divide(a, b) << endl;
	}
	catch (...)
	{
	//所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。
		delete[] p1;
		delete[] p2;
		throw;//异常重新捕获。捕获到什么，就抛什么
	}
	delete[] p1;
	delete[] p2;
}

RAII和智能指针的设计思路

RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利⽤对象⽣命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这⾥的资源可以是内存、⽂件指针、⽹络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源在对象的⽣命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。

智能指针类除了满⾜RAII的设计思路，还要⽅便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀样，重载operator*/operator->/operator[] 等运算符，⽅便访问资源。(智能指针还是像指针一样使用,模拟的是指针的行为)

两个指针指向同一块资源

C++标准库智能指针的使用

C++标准库中的智能指针都在<memory>这个头⽂件下⾯，我们包含就可以是使⽤了，智能指针有好⼏种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的⾏为，原理上⽽⾔主要是解决智能指针拷⻉时的思路不同.

auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷⻉时把被拷⻉对象的资源的管理权转移给拷⻉对象，这是⼀个⾮常糟糕的设计，因为他会到被拷⻉对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使⽤auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁⽌使⽤这个智能指针的。

unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点的不⽀持拷⻉，只⽀持移动。如果不需要拷⻉的场景就⾮常建议使⽤他。

shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是⽀持拷⻉，也⽀持移动。如果需要拷⻉的场景就需要使⽤他了。底层是⽤引⽤计数的⽅式实现的。

shared_ptr的模拟实现

weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上⾯的智能指针，他不⽀持RAII，也就意味着不能⽤它直接管理资源，weak_ptr的产⽣本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引⽤导致内存泄漏的问题。

智能指针析构时默认是进⾏delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针⽀持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调⽤象，这个可调⽤对象中实现你想要的释放资源的⽅式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调⽤删除器去释放资源。因为new[]经常使⽤，所以为了简洁⼀点，unique_ptr和shared_ptr都特化了⼀份[]的版本，使⽤时 unique_ptr<Date[]> up1(newDate[5]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。

template <class T, class… Args> shared_ptr make_shared
(Args&&… args)

//因为new[]经常使⽤，unique_ptr,shared_ptr都特化了⼀份[]的版本
std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
std::shared_ptr<Date[]> sp2(new Date[10]);  
std::unique_ptr<Date> uq1(new Date);
std::unique_ptr<Date[]> uq2(new Date[5]);

*****************************************************

template <class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
	delete[] ptr;
}
//shared_ptr定制删除器在构造函数时定义，相对建议使用lambda
std::shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], [](Date* ptr) {delete[] ptr;});
//使用函数指针传参
std::shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);

class Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		fclose(ptr);
	}
};
//使用仿函数传参
std::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());

*****************************************************

//unique_ptr定制删除器在申明类型时定义, 建议使用仿函数
//使用lambda
auto ptr = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
std::unique_ptr<Date,decltype(ptr)> uq1(new Date[5], ptr);
//使用仿函数
std::unique_ptr<FILE, Fclose> uq2(fopen("test.c", "r"));

shared_ptr 除了⽀持⽤指向资源的指针构造，还⽀持 make_shared ⽤初始化资源对象的值直接构造。

std::shared_ptr<Date> sp5 = std::make_shared<Date>(1024,10,25);

shared_ptr 和 unique_ptr 都⽀持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。

std::shared_ptr<Date> sp1 = std::make_shared<Date>(1024, 5, 6);
if (sp1)
{
	cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
}
else
{
	cout << "sp1 is  nullptr" << endl;
}

shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使⽤explicit 修饰，防⽌普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

智能指针的原理

• 下⾯我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核⼼功能，这两个智能指针的实现⽐较简单，⼤家了解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷⻉时转移资源管理权给被拷⻉对象，这种思路是不被认可的，也不建议使⽤。unique_ptr的思路是不⽀持拷⻉。

• ⼤家重点要看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引⽤计数的设计，主要这⾥⼀份资源就需要⼀个引⽤计数，所以引⽤计数才⽤静态成员的⽅式是⽆法实现的，要使⽤堆上动态开辟的⽅式，构造智能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引⽤计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引⽤计数，shared_ptr对象析构时就–引⽤计数，引⽤计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀个管理资源的对象，则析构资源。

auto_ptr简单模拟实现

template<class T>
class auto_ptr
{
public:
	//构造函数
	auto_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	//拷贝构造
	auto_ptr( auto_ptr<T>& ptr)
		:_ptr(ptr._ptr)
	{
		ptr._ptr = nullptr;
	}
	//赋值
	auto_ptr<T>& operator=( auto_ptr<T>& ptr)
	{
		//如果两个指针一样，就不用赋值了
		if (this != &ptr)
		{
			//释放原先的资源
			if (_ptr)
				delete _ptr;
			_ptr = ptr._ptr;
			ptr._ptr = nullptr;
		}
		return *this;
	}
	//模拟指针的行为
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	~auto_ptr()
	{
		delete _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

unique_ptr简单模拟实现

template<class T>
class unique_ptr
{
public:
//不支持隐式类型转换
	explicit unique_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~unique_ptr()
	{
		if(_ptr)
		delete _ptr;
	}
	//不支持赋值和拷贝构造
	unique_ptr(unique_ptr<T>& ptr) = delete;
	unique_ptr<T> operator=(unique_ptr<T>& ptr) = delete;
/*	unique_ptr(unique_ptr<T>& ptr)
		:_ptr(ptr._ptr)
	{
		ptr._ptr = nullptr;
	}
	unique_ptr<T> operator=(unique_ptr<T>& ptr)
	{
		if (this != &ptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = ptr._ptr;
			ptr._ptr = nullptr;
		}
	}*/
//模拟指针的行为
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

shared_ptr简单模拟实现

template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	shared_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
		,_pcount(new int(1))
	{}
	//1.拷贝构造
	shared_ptr(const shared_ptr<T>& ptr)
		:_ptr(ptr._ptr)
	    ,_pcount(ptr._pcount)
	{
		++(*_pcount);
	}
	//2.赋值
	shared_ptr<T> operator=(shared_ptr<T>& ptr)
	{
		//sp1 = sp4
		//if (ptr->_ptr != _ptr)  // sp1 = sp2
		if(this != &ptr)  // sp4 = sp4 (如果sp4._pcount = 1,就会出问题)
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				delete _ptr;
				//_del(_ptr);
				delete _pcount;
			}
			_ptr = ptr._ptr;
			_pcount = ptr._pcount;
			++(*_pcount);
		}
		return *this;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	T operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T& operator[](size_t i)
	{
		return _ptr[i];
	}
	~shared_ptr()
	{
		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			delete _ptr;
			//_del(_ptr);
			delete _pcount;
		}
	}
	int use_count()
	{
		return *_pcount;
	}
	//定制删除器
	/*template<class D>
	shared_ptr(T* ptr,D del)
		: _ptr(ptr)
		, _pcount(new int(1))
		,_del(del)
	{}*/
private:
	T* _ptr;
	int* _pcount;
	//function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
//atomic<int>* _pcount;  原子操作
};

weak_ptr简单模拟实现

template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}

private:
T* _ptr = nullptr;
};
}

shared_ptr循环引用问题

shared_ptr⼤多数情况下管理资源⾮常合适，⽀持RAII，也⽀持拷⻉。但是在循环引⽤的场景下会
导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引⽤的场景和资源没释放的原因，并且学会使
⽤weak_ptr解决这种问题。

如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引⽤计数减到1
1.右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
2. _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
3. 左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。
4. _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
• ⾄此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引⽤，谁都不会释放就形成了循环引⽤，导致内存泄漏
• 把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引⽤计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引⽤，解决了这⾥的问题。
在这里插入图片描述

struct ListNode
{
	std::shared_ptr<ListNode> _next;
	std::shared_ptr<ListNode> _prev;

	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};

int main()
{
// 循环引⽤ -- 内存泄露
	std::shared_ptr<ListNode> sp1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> sp2(new ListNode);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	cout << sp2.use_count() << endl;
	sp1->_next = sp2;
	sp2->_prev = sp1;
	cout << sp1.use_count() << endl;
	cout << sp2.use_count() << endl;
	return 0;
}

//打印结果
1
1
2
2
//调用sp1，sp2的析构函数时，引用计数为2，不会调用析构函数
//没有打印析构函数，内存泄漏

weak_ptr

weak_ptr不⽀持RAII，也不⽀持访问资源，所以我们看⽂档发现weak_ptr构造时不⽀持绑定到资源，只⽀持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引⽤计数，那么就可以解决上述的循环引⽤问题。
weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr⽀持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引⽤计数，weak_ptr想访问资源时，可以调⽤lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。

struct ListNode
{
 // 这里改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
    // 不增加n2的引用计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引用了
	std::shared_ptr<ListNode> _next;
	std::shared_ptr<ListNode> _prev;

	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};

int main()
{
// 循环引⽤ -- 内存泄露
	std::shared_ptr<ListNode> sp1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> sp2(new ListNode);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	cout << sp2.use_count() << endl;
	sp1->_next = sp2;//不增加shared_ptr的引⽤计数，等到sp1析构时，会调用析构函数
	sp2->_prev = sp1;//不增加shared_ptr的引⽤计数
	cout << sp1.use_count() << endl;
	cout << sp2.use_count() << endl;
	return 0;
}
//打印结果
1
1
1
1
~ListNode()
~ListNode()

weak_ptr测试

std::shared_ptr<string> sp1 = make_shared<string>("11111111");
std::shared_ptr<string> sp2(sp1);

std::weak_ptr<string> wp1(sp1);
cout << wp1.expired() << endl;
cout << wp1.use_count() << endl;

// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
sp1 = make_shared<string>("2222222");
sp2 = make_shared<string>("3333333");

cout << wp1.expired() << endl;
cout << wp1.use_count() << endl;

wp1 = sp1;
//std::shared_ptr<string> sp3 = wp1.lock();
auto sp3 = wp1.lock();//就相当于创建一个shared_ptr
cout << wp1.expired() << endl;
cout << wp1.use_count() << endl;

//打印结果
0
2 // sp1,sp2指向"11111111"
1
0//sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了,引用计数为0
0
2//sp1和sp3指向"2222222"

在这里插入图片描述

shared_ptr的线程安全问题

shared_ptr的引⽤计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进⾏shared_ptr的拷
⻉析构时会访问修改引⽤计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引⽤计数是需要加锁或者
原⼦操作保证线程安全的。
shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr
管，它也管不了，应该有外层使⽤shared_ptr的⼈进⾏线程安全的控制。
shared_ptr本身是安全的，但指向的资源不是安全的。

C++11和boost中智能指针的关系

Boost库是为C++语⾔标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建⽴的初衷之⼀就是为
C++的标准化⼯作提供可供参考的实现，Boost社区的发起⼈Dawes本⼈就是C++标准委员会的成员之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个⽅向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
C++ 98 中产⽣了第⼀个智能指针auto_ptr。
C++ boost给出了更实⽤的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等.
C++ TR1，引⼊了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。
C++ 11，引⼊了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使⽤的内存，⼀般是忘记释放或者发⽣异常释放程序未能执⾏导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，⽽是应⽤程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因⽽造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：普通程序运⾏⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不⼤，进程正常结束，⻚表的映射关系解除，物理内存也可以释放。⻓期运⾏的程序出现内存泄漏，影响很⼤，如操作系统、后台服务、⻓时间运⾏的客⼾端等等，不断出现内存泄漏会导致可⽤内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。

如何检测内存泄漏

linux下内存泄漏检测：linux下⼏款内存泄漏检测⼯具
windows下使⽤第三⽅⼯具：windows下的内存泄露检测⼯具VLD使⽤_windows内存泄漏检测⼯
具-CSDN博客

如何避免内存泄漏

⼯程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下⼀条智能指针来管理才有保证。
尽量使⽤智能指针来管理资源，如果⾃⼰场景⽐较特殊，采⽤RAII思想⾃⼰造个轮⼦管理。
定期使⽤内存泄漏⼯具检测，尤其是每次项⽬快上线前，不过有些⼯具不够靠谱，或者是收费。
总结⼀下：内存泄漏⾮常常⻅，解决⽅案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测⼯具。

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