C++智能指针：高效管理内存的利器
上篇文章：C++算法：一维/二维前缀和算法模板题
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1.智能指针的使用场景
如下方的代码，new了之后，我们也delete了，但由于抛异常导致之后的delete并没有执行，因此产生了内存泄漏问题。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，不过由于new本身也可能抛异常，连续两个new和下面的Divide都可能会抛异常，会让我们处理起来很麻烦。而智能指针放在这样的场景中，就会让问题简单很多。
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 Func()
{
// 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array和array2没有得到释放。
// 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。
// 但是如果array2 new的时候抛异常，就还需要套一层捕获释放逻辑，这里更好解决方案
// 是智能指针
int* array1 = new int[10];
int* array2 = new int[10]; // 如果抛异常呢
try
{
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
}
catch (...)
{
cout << "delete []" << array1 << endl;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array1;
delete[] array2;
throw; // 异常重新抛出，捕获到说明就抛出什么
}
// ...
cout << "delete []" << array1 << endl;
delete[] array1;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
}2.RAII和智能指针的设计思路
RAll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像迭代器类一样，重载operator* / operator-> / operator [ ] 等运算符，方便访问资源。
template <class T>
class SmartPtr
{
public:
// RAII
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{ }
~SmartPtr()
{
cout << "delete[]" << _ptr << endl;
delete[] _ptr;
}
// 重载运算符，模拟指针行为，方便访问资源
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T& operator[](size_t i)
{
return _ptr[i];
}
private:
T* _ptr;
};
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 Func()
{
// 这里使用RAII的智能指针类管理new出来的数组
SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
sp1[i] = sp2[i] = i;
}
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
}3.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 <memory> 就可以使用了，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贝时的思路不同。
auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转让给拷贝对象，这是一个非常糟糕的设计，因为他会到被拷贝对象悬空，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。
struct Date
{
public:
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
,_month(month)
,_day(day)
{
cout << "A()" << endl;
}
~Date()
{
cout << "~Date()" << endl;
}
};
int main()
{
// C++17标准直接移除auto_ptr
//auto_ptr<Date> ap1(new Date);
// 拷贝时，管理权限转移，被拷贝对象ap1悬空
//auto_ptr<Date> ap2(ap1);
// 空指针访问，ap1对象已经悬空
//ap1->_year;
return 0;
}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，他的特点是不支持拷贝，只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用他。
int main()
{
unique_ptr<Date> up1(new Date);
// 不支持拷贝
//unique_ptr<Date> up2(up1);
// 支持移动，但是移动后，up1也悬空
unique_ptr<Date> up3(move(up1));
return 0;
}shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来就是共享指针，他的特点是支持拷贝，也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用他。底层是用引用计数的方式实现的。
int main()
{
shared_ptr<Date> sp1(new Date);
// 支持拷贝
shared_ptr<Date> sp2(sp1);
shared_ptr<Date> sp3(sp2);
cout << sp1.use_count() << endl;
sp1->_year++;
cout << sp1->_year << endl;
cout << sp2->_year << endl;
cout << sp3->_year << endl;
// 支持移动，但是移动后sp1也悬空
shared_ptr<Date> sp4(move(sp1));
return 0;
}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问题。
智能指针析构时默认是进行delete释放资源的，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，其本质就是一个可调用对象，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，unique_ptr和shared_ptr都特化了一份[]的版本，使用时unique_ptr<Date[ ]> up1(new Date[5]); shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new[]的资源。
template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
template<class T>
class DeleteArray
{
public:
void operator()(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
};
class Fclose
{
public:
void operator()(FILE* ptr)
{
cout << "fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
}
};
int main()
{
// 这样实现程序会崩溃
// unique_ptr<Date> up1(new Date[10]);
// shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);
// 解决方案1
// 因为new[]经常使用，所以unique_ptr和shared_ptr
// 实现了⼀个特化版本，这个特化版本析构时用的delete[]
unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);
// 解决方案2
// 仿函数对象做删除器
unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
// unique_ptr和shared_ptr支持删除器的方式有所不同
// unique_ptr是在类模板参数支持的，shared_ptr是构造函数参数支持的
// 这里没有使用相同的方式还是挺坑的
// 使用仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递，因为仿函数类型构造的对象直接就可以调用
// 但是下面的函数指针和lambda的类型不可以
unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up3(new Date[5]);
shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
// 函数指针做删除器
unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up4(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
// lambda表达式做删除器
auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up5(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);
// 实现其他资源管理的删除器
shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
cout << "fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
});
return 0;
}template <class T, class... Args>
shared_ptr<T>make_shared(Args&&... args);
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。
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管理资源，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。
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。
int main()
{
shared_ptr<Date> sp1(new Date(2026, 3, 3));
shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2026, 3, 3);
auto sp3 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);
shared_ptr<Date> sp4;
// if (sp1.operator bool())
if (sp1)
cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
if (!sp4)
cout << "sp1 is nullptr" << endl;
// 报错
//shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);
//unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11);
return 0;
}4.智能指针的原理
模拟实现auto_ptr和unique_ptr的核心功能，这两个智能指针的实现比较简单。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象，这种思路是不被认可的，也不建议使用。unique_ptr的思路是不支持拷贝。
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：
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{ }
auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
sp._ptr = nullptr;
}
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
// 检测是否为自己给自己赋值
if (this != &ap)
{
// 释放当前对象中的资源
if (_ptr)
delete _ptr;
// 转移ap中资源到当前对象中
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};unique_ptr：
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
explicit unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{ }
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;
unique_ptr(unique_ptr<T>&& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
sp._ptr = nullptr;
}
unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>&& sp)
{
delete _ptr;
_ptr = sp._ptr;
sp._ptr = nullptr;
}
private:
T* _ptr;
};shared_ptr：
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
,_pcount(new int(1))
{ }
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
,_del(del)
{ }
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _del(sp._del)
{
++(*_pcount);
}
void release()
{
if (--(*_pcount) == 0)
{
// 最后一个管理的对象，释放资源
_del(_ptr);
delete _pcount;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
++(*_pcount);
_del = sp._del;
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release();
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
int use_count() const
{
return *_pcount;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
//atomic<int>* _pcount;
function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
};weak_ptr：
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;
};5.shared_ptr和weak_ptr
5.1shared_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RAll，也支持拷贝。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
右边的节点什么时候释放是由左边节点中的_next管着，_next析构后，右边的节点就释放了。
_next什么时候析构？ _next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
左边节点什么时候释放？ 左边节点由右边节点中的_prev管着，_prev析构后，左边的节点就释放了。
_prev什么时候析构？ _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
struct ListNode
{
int _data;
//std::shared_ptr<ListNode> _next;
//std::shared_ptr<ListNode> _prev;
// 这里改为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::weak_ptr<ListNode> _next;
std::weak_ptr<ListNode> _prev;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
// 循环引用 -- 内存泄漏
std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
// weak_ptr不支持管理资源，不支持RAII
// weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引用计数，作为⼀些场景的辅助管理
//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);
return 0;
}5.2weak_ptr
weak_ptr不支持RAll，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。
int main()
{
std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
std::weak_ptr<string> wp = sp1;
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.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>("222222");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
sp2 = make_shared<string>("333333");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
wp = sp1;
//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
auto sp3 = wp.lock();
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
*sp3 += "###";
cout << *sp1 << endl;
return 0;
}结果：
6.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的拷贝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。
下面的程序会崩溃或者A资源没释放，xxx::shared_ptr引l用计数从int*改成atomic<int>*就可以保证引用计数的线程安全问题，或者使用互斥锁加锁也可以。
struct AA
{
int _a1 = 0;
int _a2 = 0;
~AA()
{
cout << "~AA()" << endl;
}
};
int main()
{
xxx::shared_ptr<AA> p(new AA);
const size_t n = 100000;
mutex mtx;
auto func = [&]()
{
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这⾥智能指针拷⻉会++计数
xxx::shared_ptr<AA> copy(p);
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_a1++;
copy->_a2++;
}
}
};
thread t1(func);
thread t2(func);
t1.join();
t2.join();
cout << p->_a1 << endl;
cout << p->_a2 << endl;
cout << p.use_count() << endl;
return 0;
}
7.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。
8.内存泄漏
8.1什么是内存泄漏及其危害
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，页表的映射关系解除，物理内存也可以释放。长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、长时间运行的客户端等等，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。
int main()
{
// 申请⼀个1G未释放，这个程序多次运⾏也没啥危害
// 因为程序⻢上就结束，进程结束各种资源也就回收了
char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];
cout << (void*)ptr << endl;
return 0;
}
8.2检测内存泄漏
linux下内存泄漏检测：https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51959654
windows下第三方软件：https://blog.csdn.net/lonely1047/article/details/120038929
8.3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：内存泄漏非常常见，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。
AtomGit 是由开放原子开源基金会联合 CSDN 等生态伙伴共同推出的新一代开源与人工智能协作平台。平台坚持“开放、中立、公益”的理念，把代码托管、模型共享、数据集托管、智能体开发体验和算力服务整合在一起，为开发者提供从开发、训练到部署的一站式体验。
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