[C++][三种智能指针的适用场景]详细说明

目录

1.shared_ptr VS weak_ptr

• shared_ptr： - 一种共享所有权的智能指针，它可以有多个指针同时指向同一块动态分配的内存 - 每个shared_ptr都会维护一个引用计数(reference count)，表示有多少个shared_ptr指向相同的对象- 当引用计数变为零时(即没有任何shared_ptr指向该对象)，对象会被自动销毁- 使用场景： - 当多个对象需要共享同一个资源(内存对象)时使用- 自动管理动态分配的内存，避免手动释放内存
• weak_ptr： - 一种不拥有对象所有权的智能指针，它不会增加引用计数- weak_ptr的存在只是为了观察一个对象的状态是否还存在- 即：它可以用于检测shared_ptr所管理的对象是否已经被销毁- 使用场景： - 解决shared_ptr的循环引用问题- 在需要从外部访问对象，但不希望影响对象生命周期时使用 - 例如：在缓存、观察者模式等场景下使用- 注意事项： - 锁定(lock)使用： - weak_ptr不能直接访问对象，需要通过lock()返回一个 shared_ptr 来安全访问对象- lock() 返回的 shared_ptr 如果为空，表示原对象已经被销毁- 生命周期管理： - weak_ptr不会影响对象的生命周期，它可以安全地防止悬垂指针的问题- 如果weak_ptr所指向的对象已经销毁，lock()返回的shared_ptr会是空的，这样可以避免访问无效内存- weak_ptr 不能直接解引用访问对象，必须通过lock()返回shared_ptr来访问

2.unique_ptr VS shared_ptr

1.unique_ptr

• unique_ptr是一个独占所有权的智能指针，它在任何时刻只能有一个指针拥有所指向对象的所有权
• 使用场景： - 独占资源所有权：当一个对象在其生命周期内不需要被多个指针共享时，使用 unique_ptr 是合适的 - 例如：当只想在一个类或函数中使用某个动态分配的资源时，可以使用unique_ptr- 避免资源泄漏：在函数中创建的对象使用unique_ptr时，可以确保函数结束时对象会被自动释放，即使发生了异常- 转移所有权：当需要将对象的所有权从一个地方转移到另一个地方时，可以使用std::move将unique_ptr传递给另一个unique_ptr- 例如：将资源从一个函数返回到调用者中- 性能优势：由于unique_ptr没有引用计数的开销，所以它比shared_ptr更加轻量，适合性能敏感的场合

2.shared_ptr

• shared_ptr是一个共享所有权的智能指针，它允许多个shared_ptr实例共同拥有同一个对象，当最后一个shared_ptr被销毁时，所指向的对象才会被释放
• 使用场景： - 多个所有者共享资源：当需要在多个地方共享同一个对象时，使用shared_ptr是合适的 - 典型的场景：观察者模式或回调函数中，当多个对象需要访问或管理相同的资源时- 生命周期管理：在复杂的对象关系中，shared_ptr可以帮助管理对象的生命周期，防止悬空指针(dangling pointer)和内存泄漏- 动态创建对象的共享管理：当需要在函数间或不同模块间共享一个动态创建的对象时，可以使用shared_ptr- 这样即使在不同作用域中访问该对象，也能保证它的生命周期是受控的- 回调和异步操作：当一个对象可能会被多个异步任务或回调函数引用时，使用shared_ptr可以避免对象在任务执行时被提前销毁

3.选择原则

• 首选unique_ptr：如果资源的所有权不需要共享，总是优先考虑使用unique_ptr，因为它更简单、开销更小
• **使用shared_ptr**：当资源需要被多个对象或多个线程共享时，使用shared_ptr是合适的选择

4.注意事项

• 循环引用问题：shared_ptr可能会引发循环引用问题(即对象互相引用，导致引用计数永远不为零) - 解决方案：使用weak_ptr打破这种循环
• 性能：由于shared_ptr需要维护引用计数，所以在性能要求高的场景中应尽量减少不必要的shared_ptr复制

3.std::make_*

1.优势

• 性能优势： - 内存分配优化： - std::make_shared通过单次内存分配，为对象和shared_ptr的控制块分配空间- 传统方式(std::shared_ptr<MyClass> ptr(new MyClass());)需要两次内存分配- 一次为MyClass对象分配内存- 一次为shared_ptr的控制块(包含引用计数等)分配内存- 这种优化减少了内存碎片，并提高了内存分配和释放的效率，特别是在频繁创建和销毁对象的场景中- **缓存局部性(Cache Locality)**：由于std::make_shared将对象和控制块放在同一内存块中，因此在访问这些数据时能更好地利用CPU缓存，从而提高程序的性能
• 异常安全性： - 在new操作符和智能指针结合使用时，如果对象的构造函数在shared_ptr控制块创建之前抛出异常，会导致内存泄漏- std::make_*系列函数在分配内存和构造对象时采用单一、无异常的原子操作，确保在构造函数失败时内存能被正确释放
• 代码简洁性和可读性： - 使用std::make_*系列函数时，代码更加简洁，不需要显式地使用new操作符- 这不仅减少了代码量，还使代码的意图更加清晰
• 避免误用和内存管理错误：手动使用new和智能指针结合时容易引入误用，导致内存泄漏或多次释放 - 多重释放：当直接使用new来创建对象并赋值给多个shared_ptr时，可能会导致多重释放错误 - 错误示例：std::shared_ptr<MyClass>ptr1(newMyClass());// 错误！ptr1 和 ptr2 管理相同的对象，会导致双重释放std::shared_ptr<MyClass>ptr2(ptr1.get());- 正确用法：// 正确， ptr1 和 ptr2 共享相同的控制块auto ptr = std::make_shared<MyClass>();- 避免裸指针管理不当：std::make_*避免了手动使用new和delete操作符，从而减少了由于裸指针管理不当导致的内存泄漏和未定义行为
• 灵活性和一致性：std::make_*系列函数为所有标准库的智能指针提供了一致的工厂函数接口 - 如std::make_unique、std::make_shared等- 这些工厂函数能够创建对象并返回相应的智能指针，使得代码更加一致
• **自动推导类型(Type Deduction)**：std::make_* 系列函数利用C++11的类型推导特性，使得在创建智能指针时不必显式地指定类型，避免了冗长的类型声明// 传统方法std::shared_ptr<std::vector<int>>ptr(new std::vector<int>);// 使用 std::make_sharedauto ptr = std::make_shared<std::vector<int>>();
• 特定场景下的优势：std::make_shared和std::make_unique在某些特殊场景下提供了更好的语义和性能 - 例如：使用 std::make_shared可以在多线程环境下更加高效，因为它减少了构造对象时的竞争条件

2.何时不用？

• 自定义删除器：如果需要自定义删除器来管理对象生命周期，不能使用std::make_shared，因为它的内存布局决定了必须使用默认删除器(delete)
• 需要使用裸指针接口：当需要与C API交互并且需要传递裸指针时，可能需要手动管理智能指针的创建和销毁
• 特殊内存分配要求：当需要在特定内存池中分配对象时，可能需要自定义的分配策略，这时 std::make_shared不再适用