C++: 智能指针进阶

最后更新：2026-08-26

第45课我们学了移动语义。

现在，我们要深入智能指针——现代C++内存管理的核心工具。

用了智能指针，就再也不用担心内存泄漏了。

1. 智能指针概述

(1) 1.1 什么是智能指针？

智能指针是管理动态内存的模板类，自动释放内存（RAII）。

三种智能指针：

智能指针	功能	适用场景
`unique_ptr`	独占所有权	唯一拥有对象
`shared_ptr`	共享所有权	多个地方需要访问同一对象
`weak_ptr`	弱引用	解决循环引用

2. unique_ptr

(1) 2.1 基本用法

unique_ptr 是独占所有权的智能指针，不能拷贝，只能移动。

示例：unique_ptr基本用法（难度⭐）

▶ 示例 2：代码示例（难度⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
 std::unique_ptr<int> p1(new int(42));
 std::cout << *p1 << std::endl; // 输出：42
 
 // std::unique_ptr<int> p2 = p1; // ❌ 错误！不能拷贝
 std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // ✅ 可以移动
 std::cout << *p2 << std::endl; // 输出：42
 
 return 0;
} // p2自动释放内存

▶ 试一试

输出：

TEXT 📖 仅展示

（程序输出）

(2) 2.2 自定义删除器

示例：用unique_ptr管理文件（难度⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <memory>
#include <cstdio>

// 自定义删除器：关闭文件
struct FileDeleter {
 void operator()(FILE* fp) const {
 if (fp) {
 fclose(fp);
 std::cout << "文件已关闭" << std::endl;
 }
 }
};

int main() {
 std::unique_ptr<FILE, FileDeleter> file(fopen("test.txt", "w"));
 // 不需要手动fclose，unique_ptr自动调用FileDeleter
 
 return 0;
}

3. shared_ptr

(1) 3.1 基本用法

shared_ptr 是共享所有权的智能指针，用引用计数管理内存。

示例：shared_ptr基本用法（难度⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
 std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>(42);
 std::cout << "引用计数：" << p1.use_count() << std::endl; // 1
 
 {
 std::shared_ptr<int> p2 = p1; // 拷贝，引用计数+1
 std::cout << "引用计数：" << p1.use_count() << std::endl; // 2
 } // p2销毁，引用计数-1
 
 std::cout << "引用计数：" << p1.use_count() << std::endl; // 1
 
 return 0;
}

(2) 3.2 make_shared vs new

推荐用法： 用 std::make_shared 而不是 new。

对比	`new`	`make_shared`
异常安全	可能泄漏	安全
性能	两次分配	一次分配
代码简洁	冗长	简洁

CPP

// 推荐
auto p1 = std::make_shared<int>(42);

// 不推荐
std::shared_ptr<int> p2(new int(42));

4. weak_ptr

(1) 4.1 为什么需要weak_ptr？

问题： shared_ptr 可能导致循环引用，内存泄漏。

示例：循环引用（难度⭐⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <memory>

struct Node {
 std::shared_ptr<Node> next; // Circular reference!
 ~Node() { std::cout << "Node destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
 auto n1 = std::make_shared<Node>();
 auto n2 = std::make_shared<Node>();
 
 n1->next = n2; // Circular reference
 n2->next = n1;
 
 return 0;
} // ❌ n1 and n2 will not be released (memory leak)

(2) 4.2 用weak_ptr打破循环引用

解决方案： 把其中一个 shared_ptr 改为 weak_ptr。

CPP

struct Node {
 std::weak_ptr<Node> next; // Use weak_ptr, does not increase reference count
 ~Node() { std::cout << "Node destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
 auto n1 = std::make_shared<Node>();
 auto n2 = std::make_shared<Node>();
 
 n1->next = n2; // Does not increase reference count
 n2->next = n1;
 
 return 0;
} // ✅ Released correctly

5. 智能指针选择指南

(1) 5.1 如何选择？

场景	推荐
唯一拥有	`unique_ptr`
共享拥有	`shared_ptr`
观察者	`weak_ptr` 或原始指针
数组	`unique_ptr<T>`

(2) 5.2 不要做的事

错误	说明
不要用多个原始指针初始化shared_ptr	会导致重复释放
不要混用原始指针和智能指针	破坏RAII
不要手动调用delete	让智能指针管理

6. 实战：智能指针管理资源

▶ 示例 1：用智能指针管理数据库连接（难度⭐⭐⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <memory>

// 模拟数据库连接
class DatabaseConnection {
public:
 DatabaseConnection() {
 std::cout << "连接数据库" << std::endl;
 }
 
 ~DatabaseConnection() {
 std::cout << "断开连接" << std::endl;
 }
 
 void query(const std::string& sql) {
 std::cout << "执行SQL：" << sql << std::endl;
 }
};

int main() {
 // 用unique_ptr管理独占资源
 std::unique_ptrDatabaseConnection conn(new DatabaseConnection());
 conn->query("SELECT * FROM users");
 
 return 0;
} // 自动断开连接

▶ 试一试

输出：

TEXT 📖 仅展示

连接数据库
断开连接
执行SQL：

❓ 常见问题

Q unique_ptr和shared_ptr哪个快？

A unique_ptr 更快（无引用计数开销），优先用 unique_ptr。

Q 什么时候用原始指针？

A - 不拥有所有权时（观察者） - 与C库交互时 - 性能极度敏感时（但通常不需要）

Q：shared_ptr线程安全吗？ A：- 引用计数的修改是线程安全的 - 但指向的对象不是线程安全的（需要互斥量保护）

▶ 示例 3：shared_ptr共享所有权（难度⭐）

CPP

#include <iostream>
#include <memory>

class Resource {
public:
    Resource() { std::cout << "构造" << std::endl; }
    ~Resource() { std::cout << "析构" << std::endl; }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr<Resource> p1 = std::make_shared<Resource>();
        std::shared_ptr<Resource> p2 = p1; // 共享所有权

        std::cout << "引用计数：" << p1.use_count() << std::endl;
    }
    // 离开作用域，自动析构

    std::cout << "程序结束" << std::endl;
    return 0;
}

▶ 试一试

输出：

TEXT 📖 仅展示

构造
析构
引用计数：
程序结束

💡 提示：shared_ptr 共享所有权，引用计数归零时自动释放。用 make_shared 创建更安全。

知识点	要点
unique_ptr	独占所有权，不能拷贝
shared_ptr	共享所有权，引用计数
weak_ptr	弱引用，打破循环引用
make_shared	推荐用法，异常安全
选择原则	优先unique_ptr，需要时再用shared_ptr

📖 小节

shared_ptr：共享所有权，引用计数管理
unique_ptr：独占所有权，不可复制
weak_ptr：弱引用，不增加引用计数
make_shared/make_unique：推荐创建方式

📝 作业

**基础题 (Difficulty ⭐)：用 unique_ptr 管理一个动态分配的 int，用 make_unique 创建。尝试拷贝 unique_ptr（应该编译失败），改用 move。
**进阶题 (Difficulty ⭐⭐)：用 shared_ptr 实现多个对象共享同一个资源。创建两个 shared_ptr 指向同一个对象，输出 use_count() 观察引用计数变化。
**挑战题 (Difficulty ⭐⭐⭐)：用 weak_ptr 解决 shared_ptr 循环引用问题。创建 A 类和 B 类互相持有 shared_ptr，观察内存泄漏。改用 weak_ptr 后验证正确释放。

unique_ptr 独占所有权，不可复制可移动
shared_ptr 共享所有权，引用计数管理
weak_ptr 配合 shared_ptr 避免循环引用
make_unique/make_shared 异常安全的方式创建
自定义删除器处理特殊资源释放

下一课：模板元编程入门（#47）

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C++: 智能指针进阶

1. 智能指针概述

(1) 1.1 什么是智能指针？

2. unique_ptr

(1) 2.1 基本用法

▶ 示例 2：代码示例（难度⭐）

(2) 2.2 自定义删除器

3. shared_ptr

(1) 3.1 基本用法

(2) 3.2 make_shared vs new

4. weak_ptr

(1) 4.1 为什么需要weak_ptr？

(2) 4.2 用weak_ptr打破循环引用

5. 智能指针选择指南

(1) 5.1 如何选择？

(2) 5.2 不要做的事

6. 实战：智能指针管理资源

▶ 示例 1：用智能指针管理数据库连接（难度⭐⭐⭐）

❓ 常见问题

▶ 示例 3：shared_ptr共享所有权（难度⭐）

📖 小节

📝 作业

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