【C++】C++智能指针（详解）

边疆.

485人浏览 · 2025-10-14 14:32:14

边疆. · 2025-10-14 14:32:14 发布

前言

在上一篇文章中，我们详细介绍了C++11新特性的内容，内容很多也非常干，希望大家都可以掌握，那么本篇文章将带大家详细讲解C++智能指针的内容，接下来一起看看吧！

一. 智能指针的使用场景分析

首先来看以下代码：

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	int* array1 = new int[10];
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Divide(len, time) << endl;
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
}
int main()
{
	while (1)
	{
		try
		{
			Func();
		}
		catch (const char* errmsg)
		{
			cout << errmsg << endl;
		}
		catch (const exception& e)
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "未知异常" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

在调用Divide函数前new了一个int类型的数组array1，如果Divide不抛异常就会正常析构array1，如果Divide抛异常了且没有捕获，那么就会抛给外层调用的函数Func，但是Func也没有捕获异常，则会继续抛给上一层main函数，main函数捕获了异常。在这个过程中，Func函数内new出来的array1并没有析构，导致了内存泄漏。我们可以尝试在Func函数捕获这个异常再重新抛出去。

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	int* array1 = new int[10];
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		delete[] array1;
		throw; //重新抛出
	}
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
}
int main()
{
	while (1)
	{
		try
		{
			Func();
		}
		catch (const char* errmsg)
		{
			cout << errmsg << endl;
		}
		catch (const exception& e)
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "未知异常" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看到array1可以正常的析构了，那如果new两个int数组呢？

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	int* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[10]; // 如果array2抛异常呢
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		cout << "delete []" << array2 << endl;
		delete[] array1;
		delete[] array2;
		throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
	}
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

new也可能抛异常，如果是第一个new抛异常，那么array1和array2都不会创建，不用析构；如果是第二个new抛异常，array1已经创建了，要防止内存泄漏只能再重新捕获异常并处理。那如果要new很多数组呢？难道要一个一个捕获异常来处理吗？这样处理起来太麻烦了。智能指针放到这样的场景里面就让问题简单多了。

二. RAII和智能指针的设计思路

RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是一种管理资源的类的设计思想，本质是一种利用对象生命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这里的资源可以是内存、文件指针、网络连接、互斥锁等等。
思想：RAII在获取资源时把资源委托给一个对象，接着控制对资源的访问，资源在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。
智能指针类除了满足RAII的设计思路，还要方便资源的访问，所以智能指针类还会像迭代器类一样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，方便访问资源。

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		cout << "delete[]" << _ptr << endl;
		delete[] _ptr;
	}
	//重载运算符，模拟指针的行为，方便访问资源
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	T& operator[](size_t i)
	{
		return _ptr[i];
	}
private:
	T* _ptr;
};
void Func()
{
	// 这里使用RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序简单多了
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		sp1[i] = sp2[i] = i;
	}
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Divide(len, time) << endl;
}
int main()
{
	while (1)
	{
		try
		{
			Func();
		}
		catch (const char* errmsg)
		{
			cout << errmsg << endl;
		}
		catch (const exception& e)
		{
			cout << e.what() << endl;
		}
		catch (...)
		{
			cout << "未知异常" << endl;
		}
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

无论Divide是否抛异常，我们申请的资源都可以得到正常释放，因为当Func这个函数栈帧销毁时也会销毁sp1和sp2，调用sp1和sp2的析构函数就会对它们管理的资源进行释放。

如果我们想要对智能指针进行拷贝/赋值呢？我们期望的是一个值拷贝，而不是深拷贝，那么就会有多个智能指针指向同一个资源，调用析构函数时同一个资源就会析构两次，但是同一个资源是不能释放两次的，那么如何解决这个问题呢？

三. 智能指针的使用

C++标准库中的智能指针都在memory这个头文件下面，我们包含memory就可以是使用了，智能指针有好几种，除了weak_ptr它们都符合RAII和像指针一样访问的行为，原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。

3.1 auto_ptr

auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，它的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给拷贝对象，这是一个很不好的设计，因为它会使被拷贝对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使用auto_ptr。

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};
int main()
{
	auto_ptr<Date> ap1(new Date);
	// 拷贝时，管理权限转移，被拷贝对象ap1悬空
	auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	// 空指针访问，ap1对象已经悬空
	// ap1->_year++;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

3.2 unique_ptr

unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译过来就是唯一指针，它的特点是不支持拷贝构造和拷贝赋值，只支持移动构造和移动赋值。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用它。

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};
int main()
{
	unique_ptr<Date> up1(new Date);
	// 不支持拷贝
	// unique_ptr<Date> up2(up1);
	// 支持移动，但是移动后up1也悬空，所以使用移动要谨慎
	unique_ptr<Date> up3(move(up1));

	return 0;
}

在这里插入图片描述

3.3 shared_ptr

shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译过来是共享指针，它的特点是支持拷贝构造，也支持移动构造。如果有需要拷贝的场景就需要使用它，它的底层是用引用计数的方式实现的。

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};
int main()
{
	shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	// 支持拷贝
	shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	shared_ptr<Date> sp3(sp2);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	sp1->_year++;
	cout << sp1->_year << endl;
	cout << sp2->_year << endl;
	cout << sp3->_year << endl;
	// 支持移动，但是移动后sp1也悬空，所以使用移动要谨慎
	shared_ptr<Date> sp4(move(sp1));
	return 0;
}

在这里插入图片描述

3.4 weak_ptr

weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译过来就是弱指针，它完全不同于上面的智能指针，它不支持RAII，也就意味着不能用它直接管理资源，weak_ptr的产生本质是要解决shared_ptr的一个循环引用导致内存泄漏的问题。具体细节下面我们再详细讲。

3.5 删除器

智能指针析构时默认是进行delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针支持在构造时给一个删除器，所谓删除器本质就是一个可调用对象，在这个可调用对象中可以实现你想要的释放资源的方式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。

因为new[]经常使用，所以为了简洁一点，unique_ptr和shared_ptr都特化了一份[]的版本，使用时：unique_ptr<Date[]> up1(new date[5]);和shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new[]的资源了。

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};
template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
	delete[] ptr;
}
template<class T>
class DeleteArray
{
public:
	void operator()(T* ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
};
class Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};
int main()
{
	// 这样实现程序会崩溃
	// unique_ptr<Date> up1(new Date[10]);
	// shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);
	// 解决方案1
	// 因为new[]经常使用，所以unique_ptr和shared_ptr
	// 实现了一个特化版本，这个特化版本析构时用的delete[]
	unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
	shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);
	// 解决方案2
	// 仿函数对象做删除器
	// unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
	// unique_ptr和shared_ptr支持删除器的方式有所不同
	// unique_ptr是在类模板参数支持的，shared_ptr是构造函数参数支持的
	// 这里没有使用相同的方式还是挺坑的
	// 使用仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递，因为仿函数类型构造的对象直接就可以调用
	// 但是下面的函数指针和lambda的类型不可以
	unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);
	shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());

	// 函数指针做删除器
	unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
	shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);

	// lambda表达式做删除器
	auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
	// decltype可以自动推导参数的类型
	unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);
	shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);

	// 实现其他资源管理的删除器
	shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
	shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
		});
	return 0;
}

在这里插入图片描述

shared_ptr除了支持用指向资源的指针构造，还支持make_shared用初始化资源对象的值的直接构造。
shared_ptr 和 unique_ptr 都支持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是一个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。
shared_ptr 和 unique_ptr 的构造函数都使用explicit 修饰，防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

int main()
{
	shared_ptr<Date> sp1(new Date(2025, 1, 1));
	shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2025, 1, 1);
	auto sp3 = make_shared<Date>(2025, 1, 1);
	shared_ptr<Date> sp4;

	// if (sp1.operator bool())
	if (sp1)
		cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
	if (!sp4)
		cout << "sp4 is nullptr" << endl;

	// 报错，不支持隐式类型转换
	/*shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);
	unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11);*/
	return 0;
}

在这里插入图片描述

四. 智能指针的原理

下面模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核心功能，这两个智能指针的实现比较简单，了解一下原理即可。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给拷贝对象，这种思路是不被认可的，也不建议使用。而unique_ptr的思路则是不支持拷贝和赋值。

namespace MY
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		explicit auto_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
		}
		auto_ptr(auto_ptr& ap)
			:_ptr(ap._ptr)
		{
			// 权限转移
			ap._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr& operator=(auto_ptr& ap)
		{
			if (this != &ap)
			{
				if (_ptr) delete _ptr;
				// 权限转移
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}
		auto_ptr(auto_ptr&& x)
			:_ptr(x._ptr)
		{
			// 权限转移
			x._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr& operator=(auto_ptr&& x)
		{
			delete _ptr;
			// 权限转移
			_ptr = x._ptr;
			x._ptr = nullptr;
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
	private:
		T* _ptr;
	};

	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		explicit unique_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
		}

		unique_ptr(const unique_ptr& up) = delete;
		unique_ptr& operator=(const unique_ptr& up) = delete;

		unique_ptr(unique_ptr&& up) noexcept
		{
			_ptr = up._ptr;
			up._ptr = nullptr;
		}

		unique_ptr& operator=(unique_ptr&& x) noexcept
		{
			delete _ptr;
			_ptr = x._ptr;
			x._ptr = nullptr;
			return *this;
		}
		~unique_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

4.1 shared_ptr的实现原理

重点要看shared_ptr是如何设计的，尤其是引用计数的设计，一份资源就需要一个引用计数，那多个资源就需要多个引用计数，所以引用计数用静态成员的方式是无法实现的，要使用堆上动态开辟的方式，当new了一份资源传给智能指针对象来管理时，同时还要new一个引用计数出来。多个shared_ptr指向同一份资源时就++引用计数，shared_ptr对象析构时就–引用计数，引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后一个管理该资源的对象，则析构资源。

在这里插入图片描述

对shared_ptr的成员有 T* 的指针_ptr、int* 的引用计数_pcount。

namespace MY
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
	};
}

构造函数

默认构造就把_ptr和_pcount指针置为空即可。

如果传了一个开辟好的空间指针时，在创建智能指针对象时要让_ptr指向这块资源，还要再开辟int大小的空间给_pcount并赋值为1，表示当前有一个对象管理这块资源。不要忘了在shared_ptr前加explicit，防止普通指针隐式转换为智能指针对象。

shared_ptr()
	:_ptr(nullptr),
	_pcount(nullptr)
{}
explicit shared_ptr(T* ptr)
	:_ptr(ptr),
	_pcount(new int(1))
{}

拷贝构造和拷贝赋值

拷贝构造：将被拷贝对象的成员赋值给拷贝对象即可，最后++引用计数即可。

拷贝赋值：为了防止自己给自己赋值，首先判断this != &sp，因为赋值对象可能管理着其它资源，所以再将赋值对象的资源进行处理，先–引用计数，如果为0则释放资源，这里用函数release封装，最后将被赋值对象的成员赋值给该对象，++引用计数即可。

shared_ptr(const shared_ptr& sp)
	:_ptr(sp._ptr),
	_pcount(sp._pcount),
{
	++(*_pcount);
}
void release()
{
	if (--(*_pcount) == 0)
	{
		delete _pcount;
		_ptr = nullptr;
		_pcount = nullptr;
	}
}
shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
	if (this != &sp)
	{
		release();
		_ptr = sp._ptr;
		_pcount = sp._pcount;
		++(*_pcount);
	}
	return *this;
}

移动构造和移动赋值

移动构造：因为sp是右值引用，引用的是右值对象，因为这个对象即将被销毁，那么直接与sp交换成员即可，因为sp的资源管理权转移给了this对象，所以引用计数不变。

移动赋值：因为this对象可能还管理着其它资源，所以得调用release函数把管理的资源处理一下，再调用swap函数将sp对象的成员交换一下即可。

void swap(shared_ptr& sp)
{
	std::swap(sp._ptr);
	std::swap(sp._pcount);
}
shared_ptr(shared_ptr&& sp)
{
	swap(sp);
}
shared_ptr& operator=(shared_ptr&& sp)
{
	release();
	swap(sp);
	return *this;
}

析构函数

析构函数：直接复用release函数即可，将管理的资源处理一下。

~shared_ptr()
{
	release();
}

删除器

shared_ptr的删除器是在构造函数中传递的，每次去析构资源调用删除器去析构就可以了。

template<class D>
explicit shared_ptr(T* ptr, D& del)
	:_ptr(ptr),
	_pcount(new int(1)),
	_del(del)
{}

那么我们怎么存储这个删除器呢？模板参数D可能是函数指针、仿函数对象、lambda中的任何一种，那么我们该怎么定义删除器？

大家还记不记得之前C++11新特性介绍的function包装器，它的作用就是统一类型，所以我们直接使用function包装器就可以了。

首先删除器是没有返回值的所以返回值给void，参数为T*的指针，所以定义function包装器就是这样：function<void(T *)> _del。我们可以给包装器一个缺省值（默认为delete ptr）：function<void(T *)> _del = [](T * ptr) {delete ptr; };

添加完删除器的完整代码：

namespace MY
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr()
			:_ptr(nullptr),
			_pcount(nullptr)
		{}
		explicit shared_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr),
			_pcount(new int(1))
		{}
		template<class D>
		explicit shared_ptr(T* ptr, D& del)
			:_ptr(ptr),
			_pcount(new int(1)),
			_del(del)
		{}
		~shared_ptr()
		{
			release();
		}
		shared_ptr(const shared_ptr& sp)
			:_ptr(sp._ptr),
			_pcount(sp._pcount),
			_del(sp._del)
		{
			++(*_pcount);
		}
		void release()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				_del(_ptr);
				delete _pcount;
				_ptr = nullptr;
				_pcount = nullptr;
			}
		}
		shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
		{
			if (this != &sp)
			{
				release();
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
				_del = sp._del;
			}
			return *this;
		}
		void swap(shared_ptr& sp)
		{
			std::swap(sp._ptr);
			std::swap(sp._pcount);
			std::swap(_del, sp._del);
		}
		shared_ptr(shared_ptr&& sp)
		{
			swap(sp);
		}
		shared_ptr& operator=(shared_ptr&& sp)
		{
			release();
			swap(sp);
			return *this;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
		T* get() const
		{
			return _ptr;
		}
		int use_count() const
		{
			return *_pcount;
		}
		explicit operator bool() const
		{
			return _ptr != nullptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};
}

测试：

#include "shared_ptr.h"
struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};
int main()
{
	MY::auto_ptr<Date> ap1(new Date);
	// 拷贝时，管理权限转移，被拷贝对象ap1悬空
	MY::auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	// 空指针访问，ap1对象已经悬空
	//ap1->_year++;
	MY::unique_ptr<Date> up1(new Date);
	// 不支持拷贝
	//unique_ptr<Date> up2(up1);
	// 支持移动，但是移动后up1也悬空，所以使用移动要谨慎
	MY::unique_ptr<Date> up3(move(up1));

	MY::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	// 支持拷贝
	MY::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	MY::shared_ptr<Date> sp3(sp2);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	sp1->_year++;
	cout << sp1->_year << endl;
	cout << sp2->_year << endl;
	cout << sp3->_year << endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

五. shared_ptr循环引用问题

看以下代码存不存在内存泄漏

struct ListNode
{
	int _data;
	std::shared_ptr<ListNode> _next;
	std::shared_ptr<ListNode> _prev;

	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 循环引用 -- 内存泄露
	std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;

	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	
	return 0;
}

在这里插入图片描述
可以看到内存泄漏了，为什么呢？不是已经使用了智能指针了吗？

n1和n2析构后，管理两个节点的引用计数减到1，所以没有调用析构函数进行清理资源。

右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
_next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。
_prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。

至此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用，谁都不会释放就形成循环引用，导致内存泄漏。

把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引用计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引用，解决了这里的问题。

struct ListNode
{
	int _data;
	std::weak_ptr<ListNode> _next;
	std::weak_ptr<ListNode> _prev;
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 循环引用 -- 内存泄露
	std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;

	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;

	// weak_ptr不支持管理资源，不支持RAII
	// weak_ptr是专门绑定shared_ptr，不增加他的引用计数，作为一些场景的辅助管理
	//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);
	
	return 0;
}

在这里插入图片描述

n1的_next绑定到n2和n2的_prev绑定到n1时n1和n2的引用计数就不会++，这样就避免了内存泄漏问题。

weak_ptr

在这里插入图片描述

weak_ptr不支持RAII，也不支持访问资源，所以我们看文档发现weak_ptr构造时不支持绑定到资源，只支持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引用计数，那么就可以解决上述的循环引用问题。
weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr支持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引用计数，weak_ptr想访问资源时，可以调用lock返回一个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是一个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。

int main()
{
	std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
	std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
	std::weak_ptr<string> wp = sp1;
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
	sp1 = make_shared<string>("222222");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	sp2 = make_shared<string>("333333");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;

	wp = sp1;
	//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
	auto sp3 = wp.lock();
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	*sp3 += "###";
	cout << *sp1 << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

六. shared_ptr的线程安全问题

shared_ptr的引用计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进行shared_ptr的拷贝析构时会访问修改引用计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。
shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该有外层使用shared_ptr的人进行线程安全的控制。

#include "shared_ptr.h"
struct AA
{
	int _a1 = 0;
	int _a2 = 0;
	~AA()
	{
		cout << "~AA()" << endl;
	}
};
int main()
{
	MY::shared_ptr<AA> p(new AA);
	const size_t n = 100000;
	mutex mtx;
	auto func = [&]()
		{
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				// 这里智能指针拷贝会++计数
				MY::shared_ptr<AA> copy(p);
				{
					unique_lock<mutex> lk(mtx);
					copy->_a1++;
					copy->_a2++;
				}
			}
		};
	thread t1(func);
	thread t2(func);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << p->_a1 << endl;
	cout << p->_a2 << endl;
	cout << p.use_count() << endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述
上面的程序会崩溃或者AA资源没释放，MY::shared_ptr引用计数从 int* 改成 atomic< int >* 就可以保证引用计数的线程安全问题，或者使用互斥锁加锁也可以。

namespace MY
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr()
			:_ptr(nullptr),
			_pcount(nullptr)
		{}
		explicit shared_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr),
			_pcount(new atomic<int>(1))
		{}
		template<class D>
		explicit shared_ptr(T* ptr, D& del)
			:_ptr(ptr),
			_pcount(new atomic<int>(1)),
			_del(del)
		{}
		~shared_ptr()
		{
			release();
		}
		shared_ptr(const shared_ptr& sp)
			:_ptr(sp._ptr),
			_pcount(sp._pcount),
			_del(sp._del)
		{
			++(*_pcount);
		}
		void release()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				_del(_ptr);
				delete _pcount;
				_ptr = nullptr;
				_pcount = nullptr;
			}
		}
		shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
		{
			if (this != &sp)
			{
				release();
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
				_del = sp._del;
			}
			return *this;
		}
		void swap(shared_ptr& sp)
		{
			std::swap(sp._ptr);
			std::swap(sp._pcount);
			std::swap(_del, sp._del);
		}
		shared_ptr(shared_ptr&& sp)
		{
			swap(sp);
		}
		shared_ptr& operator=(shared_ptr&& sp)
		{
			release();
			swap(sp);
			return *this;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
		T* get() const
		{
			return _ptr;
		}
		int use_count() const
		{
			return *_pcount;
		}
		explicit operator bool() const
		{
			return _ptr != nullptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		//int* _pcount;
		atomic<int>* _pcount;
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};
}

在这里插入图片描述
可以看到AA资源释放了，内存泄漏问题解决了。

七. C++11和boost中智能指针的关系

Boost库是为C++语言标准库提供扩展的一些C++程序库的总称，Boost社区建立的初衷之一就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现，Boost社区的发起人Dawes本人就是C++标准委员会的成员之一。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr。
C++ boost给出了更实用的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等。
C++ TR1，引入了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。
C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

八. 内存泄漏

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存，一般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：普通程序运行一会就结束了出现内存泄漏问题也不大，进程正常结束，页表的映射关系解除，物理内存也可以释放。长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务、长时间运行的客户端等等，不断出现内存泄漏会导致可用内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。

如何检测内存泄漏（了解）
linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具
windows下使用第三方工具：windows下的内存泄漏检测工具VLD的使用

如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
尽量使用智能指针来管理资源，如果自己场景比较特殊，采用RAII思想自己造个轮子管理。
定期使用内存泄漏工具检测。
总结一下：内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。

源代码

C++智能指针的源码：https://gitee.com/xie-zhus-shovel/c-learning/tree/master/C++Learning/%E6%99%BA%E8%83%BD%E6%8C%87%E9%92%88

最后

本篇关于C++智能指针的讲解到这里就结束了，其中还有很多细节值得我们去探究，需要我们不断地学习。如果本篇内容对你有帮助的话就给一波三连吧，对以上内容有异议或者需要补充的，欢迎大家来讨论！

AI Agent技术社区

Agent 垂直技术社区，欢迎活跃、内容共建。

更多推荐

2026企业微信AI Agent实测：7款技术方案对比

会话审计、敏感词管理、聊天质检、敏感行为识别、舆情、属性、词频及竞品分析覆盖服务风险；线索公海、客户、产品、商机、订单、回款、发票和业绩目标则连接销售全过程。快创助手负责快速建运营任务，策略生成把目标拆成方案，智能客服回答系统使用咨询，数据报表处理自然语言查数，AI洞察联合标签、订单和会话分析客户。我们设计了客户筛选、订单关联、销售交接、会话质检和异常恢复任务，配合技术访谈与行业公开资料复核。准备