std::shared_ptr 复习

一、std::shared_ptr 概述std::shared_ptr是 C11 引入的智能指针它共享对所管理对象的所有权即多个shared_ptr可以指向同一个对象。当最后一个shared_ptr离开作用域或被重置时它会自动释放所管理的对象。核心特性共享所有权多个shared_ptr可以指向同一个对象引用计数通过引用计数跟踪有多少个shared_ptr指向同一个对象线程安全引用计数的操作是线程安全的自定义删除器可以指定自定义的删除逻辑支持数组需要自定义删除器或使用std::default_delete二、基本用法1. 头文件与命名空间#includememory// 包含智能指针头文件2. 构造与初始化1默认构造shared_ptrintptr1;// 空的 shared_ptr2通过裸指针构造shared_ptrintptr2(newint(10));// 管理一个 int 对象3通过 make_shared 构造推荐autoptr3make_sharedint(20);// 更高效的构造方式autoptr4make_sharedstring(Hello);// 构造字符串autoptr5make_sharedvectorint(5,10);// 构造容器4通过拷贝构造shared_ptrintptr6make_sharedint(30);shared_ptrintptr7(ptr6);// 拷贝构造引用计数增加5通过移动构造shared_ptrintptr8make_sharedint(40);shared_ptrintptr9(std::move(ptr8));// 移动构造ptr8 变为空3. 基本操作1访问所管理的对象shared_ptrintptrmake_sharedint(10);// 通过 operator* 访问对象*ptr20;cout*ptrendl;// 输出20// 通过 operator- 访问对象的成员shared_ptrstringstrPtrmake_sharedstring(Hello);coutstrPtr-size()endl;// 输出52获取原始指针shared_ptrintptrmake_sharedint(10);int*rawPtrptr.get();// 获取原始指针cout*rawPtrendl;// 输出103引用计数操作shared_ptrintptr1make_sharedint(10);cout引用计数: ptr1.use_count()endl;// 输出1shared_ptrintptr2ptr1;// 拷贝构造引用计数增加cout引用计数: ptr1.use_count()endl;// 输出2cout引用计数: ptr2.use_count()endl;// 输出2ptr1.reset();// 释放 ptr1 的所有权cout引用计数: ptr2.use_count()endl;// 输出14重置shared_ptrintptrmake_sharedint(10);ptr.reset(newint(20));// 释放旧资源管理新资源ptr.reset();// 释放资源ptr 变为空5检查是否为空shared_ptrintptr1;if(!ptr1){coutptr1 is emptyendl;}shared_ptrintptr2make_sharedint(10);if(ptr2){coutptr2 is not emptyendl;}三、引用计数机制1. 引用计数的工作原理shared_ptr通过一个控制块control block来管理引用计数。控制块包含引用计数跟踪有多少个shared_ptr指向同一个对象弱引用计数跟踪有多少个weak_ptr指向同一个对象删除器用于释放对象的函数分配器用于分配和释放控制块的内存2. 引用计数的操作构造当创建一个shared_ptr时引用计数初始化为 1拷贝当拷贝一个shared_ptr时引用计数增加 1移动当移动一个shared_ptr时引用计数不变只是转移所有权销毁当一个shared_ptr被销毁时引用计数减少 1重置当调用reset()时引用计数减少 1当引用计数减少到 0 时shared_ptr会自动释放所管理的对象。3. 线程安全性引用计数的操作是线程安全的多个线程可以同时修改引用计数所管理的对象不是线程安全的需要额外的同步机制四、自定义删除器shared_ptr允许指定自定义删除器用于处理特殊的资源释放逻辑1. 函数对象作为删除器// 定义删除器结构体structFileDeleter{voidoperator()(FILE*fp){if(fp){fclose(fp);coutFile closedendl;}}};// 使用自定义删除器shared_ptrFILEfilePtr(fopen(test.txt,w),FileDeleter());if(filePtr){fprintf(filePtr.get(),Hello, World!);}// 当引用计数为 0 时会自动调用 FileDeleter::operator() 关闭文件2. Lambda 表达式作为删除器// 使用 lambda 作为删除器autodeleter[](int*p){coutDeleting int: *pendl;deletep;};shared_ptrintptr(newint(42),deleter);3. 管理数组// 管理数组使用 lambda 作为删除器shared_ptrintarrPtr(newint[5],[](int*p){delete[]p;});// 或使用 std::default_deleteshared_ptrintarrPtr2(newint[5],std::default_deleteint[]());五、循环引用问题1. 什么是循环引用当两个或多个shared_ptr相互引用形成一个环时就会发生循环引用。此时引用计数永远不会减少到 0导致内存泄漏。2. 循环引用示例structNode{intvalue;shared_ptrNodenext;~Node(){coutNode destructedendl;}};voidcreateCycle(){autonode1make_sharedNode();autonode2make_sharedNode();node1-nextnode2;// node1 引用 node2node2-nextnode1;// node2 引用 node1形成循环coutnode1 use_count: node1.use_count()endl;// 输出2coutnode2 use_count: node2.use_count()endl;// 输出2}intmain(){createCycle();// 函数结束后node1 和 node2 离开作用域// 但由于循环引用引用计数仍为 1不会调用析构函数// 导致内存泄漏coutFunction createCycle endedendl;return0;}3. 解决循环引用使用std::weak_ptr来打破循环引用structNode{intvalue;weak_ptrNodenext;// 使用 weak_ptr 替代 shared_ptr~Node(){coutNode destructedendl;}};voidcreateCycle(){autonode1make_sharedNode();autonode2make_sharedNode();node1-nextnode2;// node1 引用 node2node2-nextnode1;// node2 弱引用 node1不增加引用计数coutnode1 use_count: node1.use_count()endl;// 输出1coutnode2 use_count: node2.use_count()endl;// 输出1}intmain(){createCycle();// 函数结束后node1 和 node2 离开作用域// 引用计数减少到 0调用析构函数// 没有内存泄漏coutFunction createCycle endedendl;return0;}六、std::shared_ptr 与其他智能指针的对比特性std::shared_ptrstd::unique_ptrstd::weak_ptr所有权共享独占无观察拷贝操作支持增加引用计数禁用支持不增加引用计数移动操作支持支持支持内存开销引用计数开销无额外开销无额外开销线程安全引用计数线程安全否否管理数组支持需自定义删除器支持特化版本不适用自定义删除器支持支持不适用解决循环引用不能需要 weak_ptr不适用能七、最佳实践1. 优先使用 make_shared// 推荐autoptrmake_sharedint(42);// 不推荐shared_ptrintptr(newint(42));原因更高效只进行一次内存分配控制块和对象在同一块内存异常安全避免内存泄漏代码更简洁2. 避免裸指针与智能指针混用// 错误裸指针与智能指针混用int*rawPtrnewint(42);shared_ptrintsmartPtr(rawPtr);// ...deleterawPtr;// 重复释放导致未定义行为3. 避免循环引用// 错误循环引用structA{shared_ptrBb;};structB{shared_ptrAa;};// 正确使用 weak_ptr 打破循环structA{shared_ptrBb;};structB{weak_ptrAa;// 使用 weak_ptr};4. 作为函数参数和返回值// 作为参数传递值或引用voidprocess(shared_ptrintptr){// 使用 ptr引用计数增加}voidprocessRef(constshared_ptrintptr){// 使用 ptr引用计数不变}// 作为返回值shared_ptrintcreatePtr(){returnmake_sharedint(42);}5. 与 STL 容器配合vectorshared_ptrintvec;// 添加元素vec.push_back(make_sharedint(10));vec.push_back(make_sharedint(20));// 遍历容器for(constautop:vec){cout*p ;}coutendl;八、代码示例示例 1基本用法#includeiostream#includememoryintmain(){// 使用 make_shared 构造autoptr1std::make_sharedint(42);std::coutValue: *ptr1std::endl;std::coutUse count: ptr1.use_count()std::endl;// 拷贝构造autoptr2ptr1;std::coutUse count after copy: ptr1.use_count()std::endl;// 重置ptr1.reset();std::coutUse count after reset ptr1: ptr2.use_count()std::endl;return0;// 离开作用域时ptr2 被销毁引用计数为 0释放内存}示例 2自定义删除器#includeiostream#includememoryintmain(){// 自定义删除器autodeleter[](int*p){std::coutCustom deleter called for value: *pstd::endl;deletep;};// 使用自定义删除器std::shared_ptrintptr(newint(42),deleter);std::coutValue: *ptrstd::endl;return0;// 离开作用域时调用自定义删除器}示例 3解决循环引用#includeiostream#includememorystructNode{intvalue;std::weak_ptrNodenext;// 使用 weak_ptrNode(intval):value(val){std::coutNode constructed: valuestd::endl;}~Node(){std::coutNode destructed: valuestd::endl;}};intmain(){{// 作用域autonode1std::make_sharedNode(1);autonode2std::make_sharedNode(2);node1-nextnode2;// node1 引用 node2node2-nextnode1;// node2 弱引用 node1std::coutnode1 use_count: node1.use_count()std::endl;std::coutnode2 use_count: node2.use_count()std::endl;}// 离开作用域node1 和 node2 被销毁std::coutOut of scopestd::endl;return0;}九、总结std::shared_ptr通过共享所有权和引用计数提供一种安全、灵活的内存管理方式。主要优势共享所有权多个shared_ptr可以指向同一个对象自动管理内存当最后一个shared_ptr离开作用域时自动释放内存线程安全引用计数的操作是线程安全的自定义删除器可以处理特殊的资源释放逻辑与 STL 容器兼容可以安全地存储在 STL 容器中shared_ptr局限性内存开销需要维护引用计数有额外的内存开销循环引用可能导致内存泄漏需要weak_ptr配合解决性能相比unique_ptr有引用计数的开销