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C++内存管理

🕗 发布于 2024-11-11 10:19 c++  开发语言  

        在C++中，内存管理是一个至关重要的方面，特别是在涉及动态内存分配时。为了简化内存管理并避免常见的内存泄漏和悬挂指针问题，C++11引入了智能指针。智能指针是类模板，它们封装了原生指针，并自动管理其生命周期。下面将介绍unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，并提供相应的代码示例。

一、三剑客介绍

1、unique_ptr

  unique_ptr是一个独占所有权的智能指针，意味着一个unique_ptr实例拥有其所指向的对象，并且该对象不能被其他unique_ptr实例所共享。当unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也会被自动删除。

代码示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    // 创建一个unique_ptr，指向一个int类型的动态分配对象
    std::unique_ptr<int> ptr1 = std::make_unique<int>(10);
    std::cout << "Value: " << *ptr1 << std::endl;

    // unique_ptr不能复制，但可以移动
    // std::unique_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 错误：不允许复制
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 正确：移动语义

    // 此时ptr1不再拥有对象，ptr2拥有
    if (!ptr1) {
        std::cout << "ptr1 is null" << std::endl;
    }
    std::cout << "Value in ptr2: " << *ptr2 << std::endl;

    // 当ptr2超出作用域时，它所指向的对象会被自动删除
    return 0;
}

2、shared_ptr

  shared_ptr是一个共享所有权的智能指针，意味着多个shared_ptr实例可以共享同一个对象。每个shared_ptr实例都维护一个指向对象的计数器（称为控制块），当最后一个shared_ptr被销毁或重置时，对象才会被删除。

代码示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    // 创建两个shared_ptr，指向同一个int类型的动态分配对象
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10);
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;

    std::cout << "Value in ptr1: " << *ptr1 << std::endl;
    std::cout << "Value in ptr2: " << *ptr2 << std::endl;

    // 输出shared_ptr的引用计数
    std::cout << "Use count: " << ptr1.use_count() << std::endl;

    // 当ptr1和ptr2都超出作用域时，它们所指向的对象才会被自动删除
    return 0;
}

3、weak_ptr

  weak_ptr是一个弱引用智能指针，它不能独立拥有对象。它通常用于解决shared_ptr循环引用的问题。weak_ptr只能从一个shared_ptr或另一个weak_ptr创建，并且不会增加对象的引用计数。当对象的最后一个shared_ptr被销毁时，即使还有weak_ptr指向该对象，对象也会被删除，weak_ptr会变为空。

代码示例（包含循环引用问题的解决）：

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    ~A() { std::cout << "A destroyed" << std::endl; }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> ptrA; // 使用weak_ptr避免循环引用
    ~B() { std::cout << "B destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr<A> ptrA = std::make_shared<A>();
        std::shared_ptr<B> ptrB = std::make_shared<B>();
        ptrA->ptrB = ptrB;
        ptrB->ptrA = ptrA; // 这里使用weak_ptr，不会增加A的引用计数

        // 当ptrA和ptrB超出作用域时，它们所指向的对象会被自动删除
        // 由于使用了weak_ptr，没有循环引用，所以能够正确销毁
    }

    // 输出应该会显示A和B的析构函数调用
    return 0;
}

        在上面的weak_ptr示例中，类A和类B相互引用，但通过使用weak_ptr，我们避免了循环引用导致的内存泄漏问题。当ptrA和ptrB超出作用域时，它们所指向的对象会被正确地销毁。

二、使用场景和优缺点

1. unique_ptr

使用场景：

  • 当一个对象只能由一个指针拥有时，应该使用unique_ptr。
  • 在需要确保对象在离开作用域时自动销毁的情况下，unique_ptr是一个很好的选择。
  • 由于unique_ptr不能复制，只能移动，因此它适用于那些不希望被复制的对象。

优点：

  • 独占所有权，避免了不必要的共享和潜在的竞争条件。
  • 自动管理内存，减少了内存泄漏的风险。

缺点：

  • 不能复制，只能通过移动语义传递，这可能会在某些情况下限制其灵活性。

2. shared_ptr

使用场景：

  • 当多个指针需要共享同一个对象时，应该使用shared_ptr。
  • 在需要动态分配对象并希望这些对象在最后一个shared_ptr被销毁时才被释放的情况下，shared_ptr是合适的选择。

优点：

  • 共享所有权，允许多个指针指向同一个对象。
  • 自动管理内存，当最后一个shared_ptr被销毁时，对象也会被自动释放。
  • 提供了引用计数机制，可以方便地跟踪对象的共享状态。

缺点：

  • 引用计数机制可能会引入一定的性能开销。
  • 如果存在循环引用，可能会导致内存泄漏。

3. weak_ptr

使用场景：

  • 当需要解决shared_ptr循环引用问题时，应该使用weak_ptr。
  • 在需要观察或访问某个对象但不希望增加其引用计数的情况下，weak_ptr是一个很好的选择。

优点：

  • 不会增加对象的引用计数，从而避免了循环引用导致的内存泄漏问题。
  • 可以安全地访问shared_ptr所管理的对象，而不会影响其生命周期。

缺点：

  • 不能独立拥有对象，必须从一个shared_ptr或另一个weak_ptr创建。
  • 如果所指向的shared_ptr已经被销毁，weak_ptr将变为空指针。

总结

  • 使用unique_ptr当且仅当一个对象只能由一个指针拥有时。
  • 使用shared_ptr当多个指针需要共享同一个对象时，但要注意循环引用的问题。
  • 使用weak_ptr来解决shared_ptr循环引用的问题，或者当需要访问但不拥有对象时。

在实际编程中，应根据具体的需求和场景选择合适的智能指针类型，以确保内存管理的正确性和效率。


原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_42215453/article/details/143644544

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