C++ 智能指針詳解

智能指針是 C++11 引入的內存管理工具，位于 <memory> 頭文件中，用于自動管理動態分配的內存，防止內存泄漏。主要類型如下：

---

1. std::unique_ptr (獨占所有權)

• 特點：唯一擁有所指對象，不可復制（可移動）
• 適用場景：獨占資源所有權
• 內存開銷：幾乎為零（僅包裝原始指針）

#include <memory>void unique_ptr_example() {// 創建 unique_ptr (C++14 推薦 make_unique)auto ptr = std::make_unique<int>(42);// 訪問對象*ptr = 100;std::cout << *ptr;  // 輸出 100// 移動所有權auto ptr2 = std::move(ptr);  // ptr 變為 nullptr// 自定義刪除器（處理特殊資源）auto file_deleter = [](FILE* f) { if(f) fclose(f); };std::unique_ptr<FILE, decltype(file_deleter)> file_ptr(fopen("test.txt", "r"), file_deleter);// 離開作用域自動釋放內存
}

---

2. std::shared_ptr (共享所有權)

• 特點：多個指針共享對象，使用引用計數
• 適用場景：需要共享所有權的資源
• 內存開銷：控制塊（引用計數 + 弱計數）

void shared_ptr_example() {// 創建 shared_ptr (推薦 make_shared)auto ptr1 = std::make_shared<std::string>("Hello");// 共享所有權auto ptr2 = ptr1;  // 引用計數 +1// 查看引用計數std::cout << ptr1.use_count();  // 輸出 2// 自定義刪除器auto arr_deleter = [](int* p) { delete[] p; };std::shared_ptr<int> arr_ptr(new int[10], arr_deleter);// 離開作用域時自動減少引用計數// 引用計數為0時釋放內存
}

---

3. std::weak_ptr (弱引用)

• 特點：不增加引用計數，解決循環引用問題
• 適用場景：打破 shared_ptr 循環引用
• 用法：需轉換為 shared_ptr 訪問對象

struct Node {std::shared_ptr<Node> next;std::weak_ptr<Node> prev;  // 使用 weak_ptr 避免循環引用
};void weak_ptr_example() {auto node1 = std::make_shared<Node>();auto node2 = std::make_shared<Node>();node1->next = node2;node2->prev = node1;  // 不會增加引用計數// 訪問 weak_ptr 指向的對象if(auto locked = node2->prev.lock()) {// 成功轉換為 shared_ptr} else {// 對象已被釋放}
}

---

4. 智能指針對比表

特性	unique_ptr	shared_ptr	weak_ptr
所有權	獨占	共享	無（觀察者）
是否影響引用計數	否	是	否
復制語義	禁用（僅移動）	允許	允許
內存開銷	幾乎為零	控制塊（約16-32字節）	控制塊指針
典型應用場景	工廠模式返回值	共享數據	打破循環引用
線程安全	對象訪問需同步	引用計數原子操作	同 shared_ptr

---

5. 最佳實踐與注意事項

1. 優先使用 make_unique/make_shared：

   // 更安全高效（單次內存分配）
   auto ptr = std::make_shared<MyClass>(arg1, arg2);
   

2. 避免循環引用：

   • 父對象用 shared_ptr 持有子對象
   • 子對象用 weak_ptr 引用父對象

3. 不要混用原始指針：

   // 危險操作！
   MyClass* raw = new MyClass();
   std::shared_ptr<MyClass> p1(raw);
   std::shared_ptr<MyClass> p2(raw);  // 會導致雙重釋放
   

4. 接口設計原則：

   • 函數接收原始指針：不獲取所有權
   • 函數接收 unique_ptr：獲取所有權
   • 函數返回 unique_ptr：轉移所有權

5. 特殊資源管理：

   // 管理數組 (C++17+)
   auto arr = std::make_unique<int[]>(10);// 管理自定義資源
   auto custom_deleter = [](Resource* r) { cleanup(r); };
   std::unique_ptr<Resource, decltype(custom_deleter)> res(new Resource, custom_deleter);
   

---

6. 性能考慮

• unique_ptr：幾乎無開銷，等同于原始指針
• shared_ptr：
  • 控制塊分配開銷（使用 make_shared 可優化）
  • 原子操作引用計數（約比非原子操作慢10倍）
• 高頻訪問場景：考慮 unique_ptr + 移動語義

---

7. C++17/20 增強

1. 數組支持：

   // C++17 特有
   auto arr = std::make_unique<int[]>(5);
   arr[0] = 10;
   

2. std::allocate_shared：

   // 自定義分配器
   CustomAllocator alloc;
   auto ptr = std::allocate_shared<MyClass>(alloc, args...);
   

3. std::weak_from_this：

   class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
   public:std::weak_ptr<MyClass> weak_ref() {return weak_from_this();  // C++17}
   };
   

---

8. 常見錯誤

// 錯誤1：返回局部對象的智能指針
std::shared_ptr<int> create() {int value = 42;return std::make_shared<int>(value);  // 正確// return &value;  // 災難！
}// 錯誤2：循環引用
struct A {std::shared_ptr<B> b;  // 應使用 weak_ptr
};
struct B {std::shared_ptr<A> a;  // 應使用 weak_ptr
};// 錯誤3：誤用 get() 管理生命周期
void process(int* raw) { /*...*/ }auto ptr = std::make_unique<int>(10);
process(ptr.get());  // 安全
delete ptr.get();    // 災難！

智能指針是現代 C++ 內存管理的核心工具，正確使用可消除 90% 以上的內存管理問題。