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面试问题--智能指针

article 2024/9/24 1:27:11

什么是智能指针？

当你在编写程序时，可能需要在运行时动态分配内存来存储数据。在传统的C++中，你可能会使用 new 和 delete 操作符来手动管理内存。但是这样容易出现一些问题，比如忘记释放内存导致内存泄漏，或者释放了之后仍然使用已经释放的内存（悬空指针问题）。
智能指针是为了解决这些问题而引入的。它们是一种封装了动态分配内存的对象，具有自动内存管理的功能。C++标准库提供了两种主要的智能指针类型：std::shared_ptr 和 std::unique_ptr。

std::shared_ptr : 允许多个智能指针共享同一块内存，使用引用计数来跟踪共享情况。
std::unique_ptr： 保证在任何时候只有一个智能指针可以管理特定的内存块，支持独占所有权。

1.std::shared_ptr:

std::shared_ptr 允许多个智能指针共享同一块内存。
每个 shared_ptr 都有一个关联的引用计数，记录有多少个 shared_ptr 指向相同的内存。
当引用计数变为零时，表示没有智能指针再指向这块内存，内存会被释放。

#include <memory>

int main() {
    // 创建一个 shared_ptr，它指向一个动态分配的整数
    std::shared_ptr<int> sharedPtr = std::make_shared<int>(42);

    // 创建另一个 shared_ptr，与前一个共享同一块内存
    std::shared_ptr<int> anotherSharedPtr = sharedPtr;

    // 引用计数为2，因为有两个 shared_ptr 指向相同的内存

    // ...
    // 当最后一个指向内存的 shared_ptr 被销毁时，内存会被释放
    return 0;
}

2.std::unique_ptr:

std::unique_ptr 确保在任何时候只有一个智能指针可以管理特定的内存块。
不能直接复制或赋值 unique_ptr，因为这违反了“独占所有权”的原则。
当 unique_ptr 被销毁时，它所管理的内存也会被释放。

#include <memory>

int main() {
    // 创建一个 unique_ptr，它独占一个动态分配的整数
    std::unique_ptr<int> uniquePtr = std::make_unique<int>(42);

    // 不能这样做，因为这违反了独占所有权的原则
    // std::unique_ptr<int> anotherUniquePtr = uniquePtr;

    // ...
    // 当 uniquePtr 被销毁时，它所管理的内存会被释放
    return 0;
}

使用智能指针的C++图形应用程序

在现代C++中，智能指针是一种强大的工具，用于更安全和方便地管理动态内存。本文将演示一个简单的图形应用程序示例，展示如何使用 std::shared_ptr 和 std::unique_ptr 来管理图形对象的内存。

实际应用示例

假设我们正在编写一个图形应用程序，需要处理不同类型的图形对象。我们将创建一个简单的图形类层次结构，并使用智能指针来管理这些对象的内存。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

// 抽象基类 Shape
class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
    virtual ~Shape() {
        std::cout << "Shape Destructor" << std::endl;
    }
};

// 派生类 Circle
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Circle" << std::endl;
    }
    ~Circle() {
        std::cout << "Circle Destructor" << std::endl;
    }
};

// 派生类 Square
class Square : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Square" << std::endl;
    }
    ~Square() {
        std::cout << "Square Destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 使用 shared_ptr 管理 Shape 对象的动态分配内存
    std::shared_ptr<Shape> circlePtr = std::make_shared<Circle>();
    std::shared_ptr<Shape> squarePtr = std::make_shared<Square>();

    // 使用 unique_ptr 管理 Shape 对象的动态分配内存
    std::unique_ptr<Shape> anotherCirclePtr = std::make_unique<Circle>();

    // 将智能指针存储在容器中
    std::vector<std::shared_ptr<Shape>> shapes;
    shapes.push_back(circlePtr);
    shapes.push_back(squarePtr);
    
    // 使用 std::move 将所有权转移给容器
    shapes.push_back(std::move(anotherCirclePtr));

    // 调用 draw 方法
    for (const auto& shape : shapes) {
        shape->draw();
    }

    // 当 main 函数结束时，所有的智能指针将被销毁，从而释放相关内存

    return 0;
}