C++智能指针使用指南：unique_ptr、shared_ptr与weak_ptr详解

各位C++爱好者们，欢迎来到今天的“智能指针讲座”。今天我们将深入探讨C++中的三大明星智能指针：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。它们就像是C++世界的三位超级英雄，各有绝技，各司其职。让我们一起揭开它们的神秘面纱吧！

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讲座大纲

1. 智能指针的起源与意义
2. unique_ptr：独占资源的王者
3. shared_ptr：共享资源的管理者
4. weak_ptr：避免循环引用的守护者
5. 总结与实践建议

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1. 智能指针的起源与意义

在C++的世界里，内存管理一直是个令人头疼的问题。手动分配和释放内存（如new和delete）不仅容易出错，还可能导致内存泄漏或悬空指针等问题。为了解决这些问题，C++引入了智能指针的概念。

智能指针是一种RAII（Resource Acquisition Is Initialization）模式的具体实现。它们通过封装原始指针，自动管理动态分配的内存，从而简化代码并提高程序的安全性。

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2. unique_ptr：独占资源的王者

unique_ptr是C++11引入的一种智能指针，它表示对资源的独占所有权。换句话说，一个unique_ptr对象不能被复制，但可以被移动。

特点：

• 独占所有权：一个资源只能由一个unique_ptr管理。
• 自动释放资源：当unique_ptr离开作用域时，会自动释放其所管理的资源。
• 不支持拷贝：防止多个unique_ptr同时管理同一资源。

示例代码：

#include <iostream>
#include <memory>

void useUniquePtr() {
    // 创建一个unique_ptr
    std::unique_ptr<int> ptr1 = std::make_unique<int>(42);
    std::cout << "Value: " << *ptr1 << std::endl;

    // 移动语义：将所有权转移给另一个unique_ptr
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1);

    // ptr1不再有效
    if (!ptr1) {
        std::cout << "ptr1 is null after move." << std::endl;
    }

    // 使用ptr2访问资源
    std::cout << "Value after move: " << *ptr2 << std::endl;
}

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

输出：

Value: 42
ptr1 is null after move.
Value after move: 42

国外技术文档引用：

"A std::unique_ptr is a smart pointer that owns and manages another object through a pointer and disposes of that object when the unique_ptr goes out of scope." — ISO C++ Standard

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3. shared_ptr：共享资源的管理者

shared_ptr允许多个指针共享同一个资源。它的内部维护了一个引用计数器，当最后一个shared_ptr销毁时，才会释放所管理的资源。

特点：

• 共享所有权：多个shared_ptr可以指向同一个资源。
• 引用计数：通过引用计数机制决定何时释放资源。
• 支持拷贝：可以通过拷贝构造函数或赋值操作创建新的shared_ptr。

示例代码：

#include <iostream>
#include <memory>

void useSharedPtr() {
    // 创建一个shared_ptr
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10);
    std::cout << "Use count (ptr1): " << ptr1.use_count() << std::endl;

    // 复制到另一个shared_ptr
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;
    std::cout << "Use count (ptr1, ptr2): " << ptr1.use_count() << std::endl;

    // 修改资源值
    *ptr2 = 20;
    std::cout << "Value: " << *ptr1 << std::endl;

    // 当ptr2离开作用域时，引用计数减1
}

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

输出：

Use count (ptr1): 1
Use count (ptr1, ptr2): 2
Value: 20

国外技术文档引用：

"A std::shared_ptr is a smart pointer that retains shared ownership of an object through a pointer." — ISO C++ Standard

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4. weak_ptr：避免循环引用的守护者

weak_ptr本身不拥有资源的所有权，而是作为shared_ptr的一个观察者存在。它的主要作用是避免循环引用问题。

特点：

• 不增加引用计数：weak_ptr不会影响shared_ptr的生命周期。
• 需要显式锁定：通过lock()方法获取一个shared_ptr，以访问资源。
• 可检测资源是否已被释放：通过expired()方法判断资源是否仍然有效。

示例代码：

#include <iostream>
#include <memory>

void useWeakPtr() {
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(50);
    std::weak_ptr<int> weakPtr = ptr1;

    // 检查weak_ptr是否有效
    if (auto lockedPtr = weakPtr.lock()) {
        std::cout << "Value: " << *lockedPtr << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Resource has been released." << std::endl;
    }

    // 销毁shared_ptr
    ptr1.reset();

    // 再次检查weak_ptr
    if (weakPtr.expired()) {
        std::cout << "Resource is no longer available." << std::endl;
    }
}

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

输出：

Value: 50
Resource is no longer available.

国外技术文档引用：

"A std::weak_ptr is a smart pointer that holds a non-owning ("weak") reference to an object that is managed by std::shared_ptr." — ISO C++ Standard

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5. 总结与实践建议

智能指针	所有权	是否可复制	主要用途
unique_ptr	独占	不可复制	资源独占，避免意外共享
shared_ptr	共享	可复制	多个指针共享资源
weak_ptr	非独占/非共享	不可直接使用	观察资源，避免循环引用

实践建议：

1. 优先使用unique_ptr：如果资源只需要一个所有者，unique_ptr是最安全的选择。
2. 谨慎使用shared_ptr：只有在确实需要共享所有权时才使用shared_ptr，否则可能会导致不必要的性能开销。
3. 合理使用weak_ptr：在处理复杂对象图时，使用weak_ptr避免循环引用。

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好了，今天的讲座就到这里啦！希望各位都能熟练掌握这三位智能指针英雄，写出更加优雅、安全的C++代码！如果你有任何疑问，欢迎随时提问哦！