第17天：智能指针

学习目标

掌握C++11引入的智能指针，理解现代C++的内存管理方式，学会使用RAII原则避免内存泄漏。

核心知识点

1. 智能指针概述

为什么需要智能指针？

  • 避免内存泄漏：自动释放内存
  • 异常安全：即使发生异常也能正确释放资源
  • 简化代码：减少手动内存管理
  • 避免悬空指针：防止访问已释放的内存

RAII原则

2. unique_ptr

特点

  • 独占所有权：同一时间只能有一个unique_ptr拥有对象
  • 移动语义：支持移动，不支持复制
  • 零开销：与原始指针性能相同

基本使用

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// 创建unique_ptr
std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);

// 移动所有权
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr);

// 自定义删除器
auto deleter = [](int* p) { delete p; };
std::unique_ptr<int, decltype(deleter)> ptr3(new int(42), deleter);

参考资料

3. shared_ptr

特点

  • 共享所有权：多个shared_ptr可以共享同一个对象
  • 引用计数：自动管理引用计数
  • 线程安全：引用计数操作是线程安全的

基本使用

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// 创建shared_ptr
std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);

// 复制shared_ptr（增加引用计数）
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;

// 检查引用计数
std::cout << ptr1.use_count() << std::endl;

循环引用问题

  • 问题描述：两个对象相互持有shared_ptr会导致内存泄漏
  • 解决方案：使用weak_ptr打破循环引用

参考资料

4. weak_ptr

特点

  • 弱引用：不影响对象的生命周期
  • 解决循环引用：打破shared_ptr的循环引用
  • 安全访问：通过lock()方法安全访问对象

基本使用

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std::shared_ptr<int> shared = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> weak = shared;

// 检查是否过期
if (!weak.expired()) {
    // 安全访问
    if (auto locked = weak.lock()) {
        std::cout << *locked << std::endl;
    }
}

参考资料

5. make_unique 和 make_shared

make_unique (C++14)

  • 推荐使用：比new + unique_ptr更安全
  • 异常安全：避免内存泄漏
  • 简洁语法：减少代码重复

make_shared

  • 性能优势：一次分配内存（对象+控制块）
  • 异常安全：避免内存泄漏
  • 推荐使用：优于new + shared_ptr

参考资料

6. 智能指针与容器

存储智能指针

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// 存储unique_ptr
std::vector<std::unique_ptr<Base>> vec;
vec.push_back(std::make_unique<Derived>());

// 存储shared_ptr
std::vector<std::shared_ptr<Base>> sharedVec;
sharedVec.push_back(std::make_shared<Derived>());

多态支持

  • 基类指针：智能指针支持多态
  • 虚析构函数：确保正确析构派生类对象

7. 智能指针最佳实践

选择原则

  1. 默认使用unique_ptr：大多数情况下的最佳选择
  2. 需要共享时使用shared_ptr：多个所有者的情况
  3. 打破循环引用使用weak_ptr：观察者模式等场景

性能考虑

  • unique_ptr：零开销，与原始指针性能相同
  • shared_ptr：有引用计数开销，但通常可接受
  • make_shared：比new + shared_ptr更高效

参考资料

实用教程和文档

官方文档

优质教程

设计模式与智能指针

今日练习

基础练习

  1. 实现一个资源管理类，使用智能指针管理资源
  2. 编写一个观察者模式的实现，使用weak_ptr避免循环引用
  3. 实现一个树结构，使用智能指针管理节点

算法题推荐

  1. LeetCode 138. Copy List with Random Pointer - 使用智能指针管理链表节点
  2. LeetCode 146. LRU Cache - 使用智能指针实现LRU缓存
  3. LeetCode 208. Implement Trie (Prefix Tree) - 使用智能指针实现字典树
  4. LeetCode 341. Flatten Nested List Iterator - 使用智能指针实现迭代器

学习要点总结

  1. RAII原则：资源获取即初始化，自动管理资源生命周期
  2. 所有权语义：unique_ptr独占，shared_ptr共享，weak_ptr弱引用
  3. 循环引用：使用weak_ptr避免循环引用导致的内存泄漏
  4. 异常安全：智能指针确保异常情况下也能正确释放资源
  5. 性能考虑：make_shared比new + shared_ptr更高效

下一天预告

明天我们将学习Lambda表达式，包括捕获列表、参数列表、返回类型等现代C++的函数式编程特性。

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