为什么C++需要智能指针？`unique_ptr`和`shared_ptr`有何不同？

<think>我们首先回答为什么需要智能指针，然后解释unique_ptr和shared_ptr的不同之处。回答分为两部分：1.为什么需要智能指针？2. unique_ptr和shared_ptr的区别然后按照要求提出相关问题。</think>### 为什么C++需要智能指针？`unique_ptr`和`shared_ptr`有何不同？ #### 为什么需要智能指针？ **根本原因**：解决传统指针的**内存泄漏**和**资源管理**问题。 **具体问题**： 1. **内存泄漏**：手动`new/delete`不匹配导致 ```cpp void risky_function() { int* ptr = new int[100]; if (error_occurred) return; // 内存泄漏！ delete[] ptr; // 可能永远不会执行 } ``` 2. **异常安全问题**：异常抛出时delete可能被跳过 3. **所有权不明确**：多个指针指向同一资源时，谁负责释放？ 4. **悬空指针**：资源释放后指针未置空 **解决方案**：智能指针通过**RAII（资源获取即初始化）** 技术： - 在构造时获取资源 - 在析构时自动释放资源 - 提供明确的所有权语义 --- #### `unique_ptr` vs `shared_ptr` | 特性 | `unique_ptr` | `shared_ptr` | |---------------------|---------------------------------------|---------------------------------------| | **所有权** | 独占所有权（不可复制） | 共享所有权（引用计数） | | **复制行为** | 禁止复制，允许移动（`std::move`） | 允许复制（增加引用计数） | | **性能开销** | 接近裸指针（零开销） | 有引用计数开销 | | **适用场景** | 单一所有者场景 | 多个所有者共享资源场景 | | **循环引用处理** | 不涉及 | 需配合`weak_ptr`避免内存泄漏 | ##### 代码示例 ```cpp #include <memory> #include <iostream> // unique_ptr 示例 void unique_ptr_demo() { std::unique_ptr<int> uptr(new int(42)); // std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr; // 错误！不可复制 std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); // 所有权转移 std::cout << *uptr2 << "\n"; // 输出42 } // 自动释放内存 // shared_ptr 示例 void shared_ptr_demo() { std::shared_ptr<int> sptr1(new int(100)); { std::shared_ptr<int> sptr2 = sptr1; // 复制，引用计数=2 std::cout << *sptr1 << " " << *sptr2 << "\n"; // 输出100 100 } // sptr2析构，引用计数=1 } // sptr1析构，引用计数=0，释放内存 // 循环引用示例（问题） struct Node { std::shared_ptr<Node> next; ~Node() { std::cout << "Node destroyed\n"; } }; void cyclic_reference() { auto node1 = std::make_shared<Node>(); auto node2 = std::make_shared<Node>(); node1->next = node2; node2->next = node1; // 循环引用，内存泄漏！ } // 引用计数永远不为0，析构函数不会被调用 int main() { unique_ptr_demo(); shared_ptr_demo(); cyclic_reference(); // 演示内存泄漏 return 0; } ``` #### 关键区别详解 1. **`unique_ptr`**: - 使用**移动语义**转移所有权 - 可作为函数返回值（编译器优化） - 支持自定义删除器 ```cpp auto file_deleter = [](FILE* f) { fclose(f); }; std::unique_ptr<FILE, decltype(file_deleter)> file(fopen("test.txt", "r"), file_deleter); ``` 2. **`shared_ptr`**: - **控制块**存储引用计数（分配额外内存） - 线程安全的引用计数（原子操作） - 必须配合`weak_ptr`解决循环引用： ```cpp struct SafeNode { std::weak_ptr<SafeNode> next; // 使用weak_ptr打破循环 }; ``` --- ### 最佳实践建议 1. 优先使用`unique_ptr`（默认选择） 2. 需要共享所有权时才用`shared_ptr` 3. 工厂函数返回`unique_ptr`： ```cpp std::unique_ptr<MyClass> create_object() { return std::make_unique<MyClass>(); } ``` 4. 使用`make_shared`替代`new`（减少内存分配次数）