在现代 C++ 开发中，智能指针已成为管理资源的核心工具。与裸指针相比，智能指针通过 RAII（资源获取即初始化）模式，自动处理对象生命周期，显著降低内存泄漏、悬挂指针等风险。本篇文章将系统解析三种主流智能指针——std::unique_ptr、std::shared_ptr 与 std::weak_ptr——的实现原理、使用场景及最佳实践。
1. std::unique_ptr：独占式所有权
1.1 基本语义
unique_ptr 表示对对象的独占所有权。一次只能有一个 unique_ptr 指向同一资源。尝试复制会导致编译错误，而移动语义允许所有权转移。
std::unique_ptr <int> p1(new int(10));
std::unique_ptr <int> p2 = std::move(p1); // p1 现在为空
1.2 内部实现
在标准实现中，unique_ptr 通常只存储：
- 指针本身（
T*）
- 可选的自定义删除器（
Deleter），在 C++17 之后，删除器可以是非空对象（如 lambda）。
销毁时，unique_ptr 的析构函数会调用 deleter(*ptr)，从而删除指针所指向的对象。删除器可以是标准库的 `std::default_delete
`，也可以是用户自定义函数对象。
### 1.3 使用技巧
– **数组管理**：使用 `std::unique_ptr`，其析构时会调用 `delete[]`。需注意不要与 `std::unique_ptr` 混用。
– **与 `std::move` 一起使用**：在函数返回值或参数传递时，避免不必要的复制，利用移动语义提高性能。
– **自定义删除器**：对于需要特殊释放逻辑的资源（如文件句柄、网络连接），可以在 `unique_ptr` 中嵌入 lambda 或自定义函数对象，保持代码整洁。
## 2. `std::shared_ptr`：共享式所有权
### 2.1 基本语义
`shared_ptr` 允许多处引用同一对象，并使用引用计数来决定何时销毁。每个 `shared_ptr` 的构造、析构、复制、赋值都涉及计数的递增/递减。
“`cpp
std::shared_ptr
sp1 = std::make_shared(20);
std::shared_ptr
sp2 = sp1; // 计数变为 2
“`
### 2.2 计数结构
实现时，`shared_ptr` 实际上包含两块内存：
– **控制块（control block）**：存储引用计数（弱计数与强计数）以及可选的删除器。
– **资源指针**：指向实际对象。
控制块通常通过 `std::make_shared` 或 `std::allocate_shared` 统一分配，避免多次分配。它可以通过 `use_count()` 获取强计数，通过 `weak_count()` 获取弱计数。
### 2.3 线程安全
在 C++11 标准之后，强计数的增减操作是线程安全的，多个线程可以并发地复制或销毁 `shared_ptr`，计数操作使用原子指令实现。弱计数的读写也保证线程安全。
### 2.4 常见陷阱
– **循环引用**：若两个对象通过 `shared_ptr` 互相引用，计数永远不为零，导致内存泄漏。解决方案是将至少一个引用改为 `weak_ptr`。
– **过度使用**：不必要的 `shared_ptr` 会产生额外的引用计数开销，尤其是在高频率场景下。使用 `unique_ptr` 或裸指针更合适。
## 3. `std::weak_ptr`：弱引用
### 3.1 作用
`weak_ptr` 提供对对象的非拥有引用，允许观察者检查对象是否仍然存活，而不会影响计数。其典型用途是打破循环引用。
“`cpp
class B; // 前向声明
class A {
public:
std::shared_ptr
child;
};
class B {
public:
std::weak_ptr
parent;
};
“`
### 3.2 工作机制
`weak_ptr` 在内部只持有对控制块的弱引用，`use_count()` 只针对强计数。要访问资源，需先调用 `lock()`，返回一个 `shared_ptr`（如果对象已销毁，返回空指针）。
“`cpp
if (auto sp = wp.lock()) {
// 对 sp 进行安全访问
}
“`
### 3.3 典型使用模式
– **缓存系统**：当缓存需要弱引用数据结构，以防止缓存过大导致对象被不必要保留。
– **事件系统**：发布/订阅模式中，订阅者通过 `weak_ptr` 观察发布者，避免强引用导致发布者无法析构。
## 4. 如何选择智能指针
| 场景 | 推荐指针 | 说明 |
|——|———-|——|
| 单一所有权、严格生命周期 | `unique_ptr` | 简洁、高效，适合栈上对象、资源管理 |
| 共享所有权、可多处引用 | `shared_ptr` | 适合对象需要跨模块共享，但避免循环引用 |
| 观察者模式、避免循环引用 | `weak_ptr` | 结合 `shared_ptr` 使用，确保对象能正确析构 |
## 5. 结语
智能指针是 C++ 现代编程的基石。掌握它们的内部实现与正确使用，可以让代码更安全、更易维护。务必避免常见陷阱，如循环引用、过度使用 `shared_ptr`，并根据实际需求选择合适的智能指针类型。祝你编码愉快，写出稳健的 C++ 代码！
