C++中的智能指針舉例詳解及注意事項

更新時間：2025年03月29日 08:35:30 作者：MobiCetus

智能指針是C++中用于管理動態(tài)分配資源的強大工具,通過正確使用智能指針,可以顯著減少內(nèi)存泄漏的可能性,這篇文章主要介紹了C++中的智能指針舉例詳解及注意事項的相關(guān)資料,文中通過代碼介紹的非常詳細,需要的朋友可以參考下

指針用于訪問程序外部的資源——如堆內(nèi)存。因此，訪問堆內(nèi)存（如果在堆中創(chuàng)建了任何內(nèi)容）時，需要使用指針。當訪問任何外部資源時，我們只使用該資源的副本。如果我們對其進行修改，我們只會改變副本的版本。但如果我們使用指針來訪問資源，我們將能夠修改原始資源。

C++ 中普通指針的一些問題如下：

- 內(nèi)存泄漏：當程序反復分配內(nèi)存但從未釋放時，會導致內(nèi)存泄漏。這會導致過度的內(nèi)存消耗，最終可能導致系統(tǒng)崩潰。

- 懸空指針：懸空指針是指在對象從內(nèi)存中被釋放后，沒有修改指針的值。此時，指針仍然指向已釋放的內(nèi)存。

- 野指針：野指針是已經(jīng)聲明并分配了內(nèi)存的指針，但該指針從未初始化為指向有效的對象或地址。

- 數(shù)據(jù)不一致：數(shù)據(jù)不一致發(fā)生在一些數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，但沒有以一致的方式更新。

// C++ 程序演示指針的工作方式
#include <iostream>
using namespace std;

class Rectangle {
private:
    int length;
    int breadth;
};

void fun() {
    // 使用指針 p 并動態(tài)創(chuàng)建一個 Rectangle 對象
    Rectangle* p = new Rectangle();
}

int main() {
    // 無限循環(huán)
    while (1) {
        fun();
    }
}

輸出

Memory limit exceeded

解釋：

在 fun 函數(shù)中，創(chuàng)建了一個指針 p，它指向一個 Rectangle 對象。這個對象包含兩個整數(shù)：length 和 breadth。當 fun 函數(shù)結(jié)束時，指針 p 會被銷毀，因為它是一個局部變量。然而，它占用的內(nèi)存并沒有被釋放，因為我們忘記使用 delete p; 來刪除它。這意味著內(nèi)存不會被釋放，無法供其他資源使用。雖然我們不再需要這個變量，但我們需要釋放內(nèi)存。

在 main 函數(shù)中，fun 函數(shù)被無限次調(diào)用。每次調(diào)用都會創(chuàng)建 p，但內(nèi)存沒有被釋放。隨著調(diào)用的進行，內(nèi)存不斷增加，但不會被回收。由于沒有釋放的內(nèi)存，最終會導致內(nèi)存泄漏，整個堆內(nèi)存可能因此變得無用。

智能指針

正如我們不自覺地發(fā)現(xiàn)的那樣，未釋放指針會導致內(nèi)存泄漏，可能會導致程序崩潰。Java、C# 等語言通過垃圾回收機制來智能地釋放未使用的內(nèi)存。C++ 也有自己的機制：智能指針。當對象被銷毀時，智能指針會自動釋放內(nèi)存。因此，我們不需要手動調(diào)用 delete 來釋放內(nèi)存。

智能指針是一個指針的封裝類，重載了像 * 和 -> 等操作符。智能指針類的對象看起來像普通指針，但與普通指針不同，它可以釋放銷毀的對象內(nèi)存。

智能指針的思想是創(chuàng)建一個包含指針、析構(gòu)函數(shù)和重載操作符（如 * 和 ->）的類。由于析構(gòu)函數(shù)會在對象超出作用域時自動調(diào)用，因此動態(tài)分配的內(nèi)存會自動被刪除（或者引用計數(shù)會減少）。

// C++ 程序演示智能指針的工作方式
#include <iostream>
using namespace std;

class SmartPtr {
    int* ptr; // 實際指針
public:
    // 構(gòu)造函數(shù)
    explicit SmartPtr(int* p = NULL) { ptr = p; }

    // 析構(gòu)函數(shù)
    ~SmartPtr() { delete (ptr); }

    // 重載解引用操作符
    int& operator*() { return *ptr; }
};

int main() {
    SmartPtr ptr(new int());
    *ptr = 20;
    cout << *ptr;

    // 我們不需要調(diào)用 delete ptr：當對象 ptr 超出作用域時
    // 它的析構(gòu)函數(shù)會自動被調(diào)用，析構(gòu)函數(shù)會刪除 ptr。

    return 0;
}

輸出

20

指針與智能指針的區(qū)別

指針	智能指針
指針是一個存儲內(nèi)存地址和該內(nèi)存位置數(shù)據(jù)類型信息的變量。指針是指向內(nèi)存中某個位置的變量。	智能指針是一個指針封裝的棧分配對象。簡單來說，智能指針是封裝指針的類。
它不會在作用域結(jié)束時銷毀。	它在作用域結(jié)束時會銷毀自己。
指針沒有額外的特性，效率較低。	智能指針效率更高，因為它具有內(nèi)存管理的附加功能。
指針是手動管理的。	智能指針是自動管理的。

注意：

這僅適用于 int 類型。那我們必須為每個對象創(chuàng)建智能指針嗎？不，解決方案是模板。如下所示，T 可以是任何類型。

示例：使用模板解決問題

// C++ 程序演示模板的工作方式，并解決指針問題
#include <iostream>
using namespace std;

// 通用智能指針類
template <class T> class SmartPtr {
    T* ptr; // 實際指針
public:
    // 構(gòu)造函數(shù)
    explicit SmartPtr(T* p = NULL) { ptr = p; }

    // 析構(gòu)函數(shù)
    ~SmartPtr() { delete (ptr); }

    // 重載解引用操作符
    T& operator*() { return *ptr; }

    // 重載箭頭操作符，這樣可以像指針一樣訪問 T 的成員
    T* operator->() { return ptr; }
};

int main() {
    SmartPtr<int> ptr(new int());
    *ptr = 20;
    cout << *ptr;
    return 0;
}

輸出

20

注意：

智能指針也非常適用于資源管理，比如文件句柄或網(wǎng)絡套接字等。

智能指針的類型

C++ 庫提供了以下類型的智能指針實現(xiàn)：

auto_ptr
unique_ptr
shared_ptr
weak_ptr

auto_ptr

使用 auto_ptr，可以管理通過 new 表達式獲取的對象，并在 auto_ptr 自身銷毀時刪除它們。當通過 auto_ptr 描述一個對象時，它會存儲指向單個分配對象的指針。

注意：從 C++11 起，auto_ptr 被棄用。unique_ptr 是一個類似的功能，但它提供了更高的安全性。

unique_ptr

unique_ptr 只存儲一個指針。我們可以通過移除當前對象并指向另一個對象來重新賦值。

實例

// C++ 程序演示 unique_ptr 的工作方式
// 這里我們展示 unique_ptr 指向 P1。
// 但是我們移除了 P1 并將其指向 P2，因此指針現(xiàn)在
// 指向 P2。

#include <iostream>
using namespace std;
// 動態(tài)內(nèi)存管理庫
#include <memory>

class Rectangle {
    int length;
    int breadth;

public:
    Rectangle(int l, int b)
    {
        length = l;
        breadth = b;
    }

    int area() { return length * breadth; }
};

int main()
{
    // 智能指針
    unique_ptr<Rectangle> P1(new Rectangle(10, 5));
    cout << P1->area() << endl; // 打印 50

    // unique_ptr<Rectangle> P2(P1);
    unique_ptr<Rectangle> P2;
    P2 = move(P1);

    cout << P2->area() << endl;

    return 0;
}

50
50

shared_ptr

通過 shared_ptr，多個指針可以同時指向同一個對象，它將使用 use_count() 方法來維護引用計數(shù)。

// C++ 程序演示 shared_ptr 的工作方式
// 這里智能指針 P1 和 P2 都指向同一個
// 對象，并且它們都會保持該對象的引用。

#include <iostream>
using namespace std;
// 動態(tài)內(nèi)存管理庫
#include <memory>

class Rectangle {
    int length;
    int breadth;

public:
    Rectangle(int l, int b)
    {
        length = l;
        breadth = b;
    }

    int area() { return length * breadth; }
};

int main()
{
    // 智能指針
    shared_ptr<Rectangle> P1(new Rectangle(10, 5));
    cout << P1->area() << endl;

    shared_ptr<Rectangle> P2;
    P2 = P1;

    cout << P2->area() << endl;

    cout << P1->area() << endl;
    cout << P1.use_count() << endl;
    return 0;
}

50
50
50
2

weak_ptr

weak_ptr 是一種智能指針，它持有一個非擁有的引用。它與 shared_ptr 非常相似，但不會維護引用計數(shù)。這樣，指針不會對對象保持強引用，避免了通過 shared_ptr 創(chuàng)建的循環(huán)依賴問題。

// C++ 程序演示 weak_ptr 的工作方式
// 這里智能指針 P1 和 P2 都指向同一個
// 對象，但它們都不保持對象的引用。

#include <iostream>
using namespace std;
// 動態(tài)內(nèi)存管理庫
#include <memory>

class Rectangle {
    int length;
    int breadth;

public:
    Rectangle(int l, int b)
    {
        length = l;
        breadth = b;
    }

    int area() { return length * breadth; }
};

int main()
{
    // 智能指針
    shared_ptr<Rectangle> P1(new Rectangle(10, 5));
  
    // 創(chuàng)建 weak_ptr
    weak_ptr<Rectangle> P2(P1);
  
    cout << P1->area() << endl;
    cout << P1.use_count() << endl;
    return 0;
}