为什么要在现代 C++ 中使用 std::shared_ptr 而不是裸指针？

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在现代 C++ 开发中，资源管理已经从手动内存释放演变为使用智能指针来确保对象生命周期的正确管理。std::shared_ptr 是一种引用计数智能指针，能够自动管理共享资源的生命周期，减少内存泄漏、悬空指针和重复删除等风险。下面从几个角度详细说明为什么在合适的场景下选择 std::shared_ptr 而非裸指针是明智的做法。

1. 自动引用计数，免除手动释放

裸指针需要程序员手动 delete，很容易出现忘记释放或多次释放的错误。std::shared_ptr 在内部维护一个引用计数，只有当计数为零时才会自动调用 delete。这意味着无论对象被多次共享、传递或拷贝，内存最终都会被安全释放。

auto p1 = std::make_shared <Foo>();
{
    std::shared_ptr <Foo> p2 = p1;   // 计数从 1 变为 2
}                                   // p2 结束，计数变为 1
// 只要 p1 存在，Foo 对象不会被销毁

2. 线程安全的计数器

C++11 之后，std::shared_ptr 的引用计数是原子操作，能够安全地在多线程环境中共享对象。裸指针在多线程共享时需要手动同步，否则会导致竞争条件。

void thread_func(std::shared_ptr <Foo> sp) {
    // 这里的 sp 是线程安全的副本
}

3. 与标准库算法和容器配合

许多 STL 容器（如 std::vector, std::list）和算法（如 std::sort, std::for_each）默认使用复制语义。将裸指针放入容器时，复制只是拷贝指针地址，无法管理内存生命周期。使用 std::shared_ptr 可让容器内部自动维护引用计数。

std::vector<std::shared_ptr<Foo>> vec;
vec.push_back(std::make_shared <Foo>());

4. 兼容 C 代码和第三方库

当需要与 C 接口或旧库交互时，往往得到裸指针。std::shared_ptr 允许你从裸指针创建一个共享指针，并指定自定义删除器，以便在最后一个引用消失时正确释放资源。

extern "C" void free_resource(void*);

auto sp = std::shared_ptr <void>(c_ptr, [](void* p){ free_resource(p); });

5. 可能的缺点与替代方案

  • 性能开销：引用计数需要 atomic 加/减，略高于裸指针。对于高性能、内存敏感的代码段，考虑使用 std::unique_ptr 或裸指针。
  • 循环引用：如果对象互相持有 shared_ptr，会形成循环引用导致泄漏。此时需要使用 std::weak_ptr 解除循环。
class Node {
    std::shared_ptr <Node> next;
    std::weak_ptr <Node> prev;   // 防止循环
};

6. 何时使用 std::shared_ptr

  1. 资源需要跨对象共享：多个对象共同拥有同一资源。
  2. 不确定资源所有者：无法预先确定谁负责释放资源。
  3. 线程共享：需要在多线程环境中安全共享。
  4. 与 STL 容器结合：需要将对象放入容器而不手动管理内存。

7. 何时避免 std::shared_ptr

  1. 单一所有者：使用 std::unique_ptr 或裸指针。
  2. 高性能/低延迟：减少不必要的引用计数开销。
  3. 临时指针：局部变量可以使用裸指针，避免不必要的智能指针包装。

结论

std::shared_ptr 为现代 C++ 提供了强大的资源管理工具，让我们能够更专注于业务逻辑，而不是内存泄漏的细节。它与标准库的无缝集成、线程安全的引用计数以及易于使用的 API，使其成为共享资源时的首选。然而，合理选择何时使用 std::shared_ptr、std::unique_ptr 或裸指针，才能写出既安全又高效的代码。

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