獨占指針（unique_ptr）是C++11標準引入的一種智能指針，用于獨占管理動態分配對象的生命周期。unique_ptr確保對象在同一時間只有一個所有者，防止對象被多個指針共享。下面是unique_ptr的實現原理及其內存管理機制。

unique_ptr 的基本原理

1. 獨占所有權：

   • unique_ptr 獨占對象的所有權，不能被復制，但可以移動。
   • 通過移動語義，可以將所有權從一個 unique_ptr 轉移到另一個。

2. 自動內存管理：

   • 當 unique_ptr 被銷毀時，它所管理的對象也會被銷毀，自動釋放內存。

實現原理

1. 基本結構：

   • unique_ptr 是一個模板類，包含一個原始指針和一個刪除器。
   • 刪除器是一個可調用對象（如函數指針、函數對象或 std::default_delete），用于在 unique_ptr 銷毀時釋放對象。

2. 構造與析構：

   • 構造函數：接受一個原始指針，默認使用 std::default_delete 作為刪除器。
   • 析構函數：調用刪除器釋放對象。

3. 禁止復制：

   • unique_ptr 禁止復制構造和復制賦值操作。
   • 通過刪除復制構造函數和復制賦值操作符來實現。

4. 移動語義：

   • 允許移動構造和移動賦值操作。
   • 通過移動構造和移動賦值操作符將所有權轉移到另一個 unique_ptr。

代碼示例

#include <iostream>
#include <memory>class MyClass {
public:MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }void sayHello() { std::cout << "Hello\n"; }
};int main() {std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass());ptr1->sayHello();// std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1; // 錯誤：不能復制 unique_ptrstd::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1); // 移動所有權if (!ptr1) {std::cout << "ptr1 is empty\n";}if (ptr2) {ptr2->sayHello();}return 0;
}

輸出結果

MyClass constructed
Hello
ptr1 is empty
Hello
MyClass destroyed

內存管理機制

1. 獨占所有權：

   • unique_ptr 在同一時間只能有一個所有者，禁止復制操作。
   • 通過移動操作將所有權轉移。

2. 自動釋放內存：

   • 當 unique_ptr 超出作用域或被銷毀時，自動調用刪除器釋放對象內存。

總結

• unique_ptr 提供了一種安全的、自動的內存管理方式，確保對象不會被多個指針共享。
• 它通過禁止復制和允許移動操作實現獨占所有權。
• 使用刪除器在 unique_ptr 銷毀時釋放對象內存，防止內存泄漏。

代碼實現

這里是一個簡單的unique_ptr的實現原理代碼示例。這個示例包含了unique_ptr的核心功能，包括獨占所有權、移動語義以及自動內存管理。

#include <iostream>
#include <utility> // for std::movetemplate<typename T>
class UniquePtr {
private:T* ptr; // 原始指針public:// 構造函數explicit UniquePtr(T* p = nullptr) : ptr(p) {}// 禁止復制構造函數UniquePtr(const UniquePtr&) = delete;// 禁止復制賦值操作符UniquePtr& operator=(const UniquePtr&) = delete;// 移動構造函數UniquePtr(UniquePtr&& other) noexcept : ptr(other.ptr) {other.ptr = nullptr; // 將源指針置為空}// 移動賦值操作符UniquePtr& operator=(UniquePtr&& other) noexcept {if (this != &other) {delete ptr; // 釋放當前持有的資源ptr = other.ptr; // 轉移所有權other.ptr = nullptr; // 將源指針置為空}return *this;}// 析構函數~UniquePtr() {delete ptr; // 釋放資源}// 重載 * 操作符T& operator*() const {return *ptr;}// 重載 -> 操作符T* operator->() const {return ptr;}// 獲取原始指針T* get() const {return ptr;}// 釋放所有權并返回原始指針T* release() {T* temp = ptr;ptr = nullptr;return temp;}// 重新設置指針void reset(T* p = nullptr) {if (ptr != p) {delete ptr; // 釋放當前持有的資源ptr = p; // 設置新的指針}}
};class MyClass {
public:MyClass() { std::cout << "MyClass constructed\n"; }~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }void sayHello() { std::cout << "Hello\n"; }
};int main() {UniquePtr<MyClass> ptr1(new MyClass());ptr1->sayHello();// UniquePtr<MyClass> ptr2 = ptr1; // 錯誤：不能復制 unique_ptrUniquePtr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1); // 移動所有權if (!ptr1.get()) {std::cout << "ptr1 is empty\n";}if (ptr2.get()) {ptr2->sayHello();}return 0;
}

代碼說明

1. 構造函數：

   • UniquePtr(T* p = nullptr) : ptr(p) {}：構造函數初始化原始指針。

2. 禁止復制：

   • UniquePtr(const UniquePtr&) = delete;：禁止復制構造函數。
   • UniquePtr& operator=(const UniquePtr&) = delete;：禁止復制賦值操作符。

3. 移動語義：

   • UniquePtr(UniquePtr&& other) noexcept：移動構造函數，從其他UniquePtr轉移所有權，并將源指針置空。
   • UniquePtr& operator=(UniquePtr&& other) noexcept：移動賦值操作符，從其他UniquePtr轉移所有權，并將源指針置空。

4. 析構函數：

   • ~UniquePtr()：析構函數釋放資源。

5. 智能指針接口：

   • T& operator*() const：重載解引用操作符。
   • T* operator->() const：重載箭頭操作符。
   • T* get() const：返回原始指針。
   • T* release()：釋放所有權并返回原始指針。
   • void reset(T* p = nullptr)：重新設置指針，釋放當前持有的資源。

輸出結果

MyClass constructed
Hello
ptr1 is empty
Hello
MyClass destroyed

總結

• UniquePtr 確保對象在同一時間只有一個所有者，防止多個指針共享。
• 通過移動語義，可以將所有權從一個 UniquePtr 轉移到另一個。
• UniquePtr 自動管理對象生命周期，當智能指針超出作用域時自動釋放資源。