编程笔记 - C++ 智能指针与引用

在 C 语言编程中，使用裸指针（raw pointer）几乎是处理动态内存的唯一方式。然而，随着 C++ 的不断演进，特别是在 C++11 及之后的标准中，智能指针（std::unique_ptr, std::shared_ptr, std::weak_ptr）和引用（&）成为了更安全、更现代的替代品。

使用 C 风格指针的风险

C 风格的指针虽然灵活，但也伴随着许多问题：

• 内存泄漏：每一个 new 必须对应一个 delete，不小心忘记释放就可能导致内存泄漏。
• 空指针：在释放指针后继续访问，会引发未定义行为。
• 野指针：未初始化的指针可能指向随机内存。

使用 C++ 智能指针

智能指针是一种模板类，封装了动态分配对象的指针，并在其生命周期结束时自动释放资源。

1. 内存自动释放
   std::unique_ptr 在析构时自动调用 delete；std::shared_ptr 通过引用计数管理生命周期。

2. 异常安全
   在栈上管理智能指针，无论函数怎样退出，析构都会正确执行，不用手动释放。

3. 所有权语义清晰

   • std::unique_ptr<T>：独占所有权，不可复制，仅可移动。

     void foo() {
         std::unique_ptr<int> up(new int(100));
         *up += 1;
         // auto up2 = up; 		  	// Error: Not duplicable.
         auto up2 = std::move(up); 	// OK: Pass ownership.
     }
     

   • std::shared_ptr<T>：共享所有权，内部引用计数；当最后一个 shared_ptr 销毁时释放资源。

     void foo() {
         std::shared_ptr<int> sp1 = std::make_shared<int>(200);
         {
             std::shared_ptr<int> sp2 = sp1; // Reference count +1.
             std::cout << *sp2 << "\n";
         } // sp2 leaves the scope, reference count -1.
         // When the last sp leaves the scope, the delete operator is called automatically.
     }
     

   • std::weak_ptr<T>：配合 shared_ptr 使用，不影响引用计数，可安全检测对象是否已销毁。

     void foo() {
         std::shared_ptr<int> sp(new int(10));
         std::weak_ptr<int> wp(sp);
         std::cout << wp.use_count() << std::endl; // wp does not increase reference count.
         std::cout << *(wp.lock()) << std::endl; // Access the object pointed by sp
     }
     

函数传参时应传递引用以代替传递指针

在 C++ 编程中，如果函数中仅仅想使用对象内的资源，那么应该向函数传递引用而不是传递智能指针，因为函数内不需要智能指针声明周期的相关语义。

void process(int& value) {
    // value will always be ready.
    value += 10;
}
int main() {
    int x = 5;
    process(x);      		// OK
    // process(nullptr);  	// Error: null pointer.
}

易混淆的点：智能指针与引用结合

参考 C++ Core Guidelines：

Function signature	Semantic	Rule
func(std::unique_ptr<Widget>)	func takes ownership	R.32
func(std::unique_ptr<Widget>&)	func meant to reseat Widget	R.33
func(std::shared_ptr<Widget>)	func shares ownership	R.34
func(std::shared_ptr<Widget>&)	func might reseat Widget	R.35
func(const std::shared_ptr<Widget>&)	func might retain a reference count	R.36