代码随想录八股训练营第二十五天| C++

前言

一、什么是智能指针？C++有哪些智能指针？

1.1.智能指针的类型：

1.1.1.std::unique_ptr：

1.1.2.std::shared_ptr：

1.1.3.std::weak_ptr：

1.1.4.std::auto_ptr：

1.1.5智能指针的优点：

1.1.6注意事项：

二、智能指针的实现原理是什么？

2.1. 模板类

2.2. 构造函数和析构函数

2.3. 重载操作符

2.4. 自动内存管理

2.5. 引用计数

2.6. 自定义删除器

2.7注意事项

总结

前言

本文深入探讨了C++中static和const关键字的用法、常量指针与指针常量的区别，以及结构体与类之间的差异，旨在帮助程序员更好地理解这些核心概念，以提升编码效率和程序性能。

一、什么是智能指针？C++有哪些智能指针？

在C++中，智能指针是一种管理动态分配（使用new关键字分配的）内存的类模板，它们在对象不再使用时自动释放内存，从而帮助防止内存泄漏。智能指针通常在std命名空间中定义。类型：

1.1.std::unique_ptr：

• 表示对一个对象的独占所有权，不允许复制，但可以移动。
• 通常用于表示对象的唯一所有者，当unique_ptr被销毁时，它所拥有的对象也会被删除。

1.2.std::shared_ptr：

• 表示对一个对象的共享所有权，使用引用计数机制来管理对象的生命周期。
• 当最后一个shared_ptr被销毁时，它所拥有的对象会被删除。

1.3.std::weak_ptr：

• 在函数内部，static修饰的局部变量会保持其值，即使函数调用结束后，其值也不会消失，直到程序结束。这种变量在程序的整个生命周期内只被初始化一次。

1.4.std::auto_ptr：

• 曾经用于自动管理动态分配的内存，当auto_ptr被销毁时，它所拥有的对象也会被删除。
• 已由unique_ptr取代。使用智能指针的示例：

使用智能指针的示例：

#include <memory>

// 使用 unique_ptr
std::unique_ptr<int> uniquePtr(new int(10));
// uniquePtr 独占所有权，不允许复制

// 使用 shared_ptr
std::shared_ptr<int> sharedPtr1(new int(20));
std::shared_ptr<int> sharedPtr2 = sharedPtr1; // sharedPtr1 和 sharedPtr2 共享所有权
// 当最后一个 sharedPtr 被销毁时，它所拥有的对象会被删除

// 使用 weak_ptr
std::weak_ptr<int> weakPtr = sharedPtr1;
// weakPtr 不增加引用计数，可以用于解决循环引用问题

1.5智能指针的优点：

• 自动内存管理：智能指针会在适当的时候自动释放内存，减少内存泄漏的风险。
• 异常安全：在抛出异常时，智能指针能确保资源得到正确释放。
• 所有权明确：智能指针提供了清晰的所有权和生命周期管理，使得代码更加安全和易于理解。

1.6注意事项：

• 避免悬空指针：智能指针被销毁后，指向的对象将被删除，再次使用悬空的智能指针将导致未定义行为。
• 资源管理：智能指针管理的资源不仅仅是内存，还可以是文件句柄、网络连接等需要显式释放的资源。
• 性能考虑：虽然智能指针提供了自动管理内存的便利，但它们比原始指针稍微复杂一些，可能在性能敏感的场景中需要额外考虑。

智能指针是现代C++编程中不可或缺的一部分，它们帮助开发者写出更安全、更健壮的代码。

二、智能指针的实现原理是什么？

智能指针在C++中的实现原理主要依赖于模板类和对象的生命周期管理。它们通过重载操作符和利用RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则来确保资源的正确管理。以下是智能指针实现的一些关键点：

2.1. 模板类

智能指针都是模板类，这使得它们能够处理不同类型的对象。模板类允许编译器在编译时生成针对特定类型的代码。

2.2. 构造函数和析构函数

• 构造函数：接受一个原始指针作为参数，并在内部保存这个指针。
• 析构函数：当智能指针对象的生命周期结束时，析构函数会被调用，负责释放管理的资源。

2.3. 重载操作符

为了使智能指针的使用接近原始指针，智能指针重载了多种操作符，如 *（解引用）、->（成员访问）、== 和 !=（比较）等。

2.4. 自动内存管理

2.5. 引用计数

std::shared_ptr内部维护一个引用计数器，每次shared_ptr被拷贝时，计数器增加，当shared_ptr被销毁时，计数器减少。如果计数器减至0，则释放资源。

2.6. 自定义删除器

• std::unique_ptr：独占所有权模型，不允许复制，但可以移动。析构时自动释放资源。
• std::shared_ptr：共享所有权模型，通过引用计数来管理资源。当最后一个shared_ptr被销毁时，引用计数减至0，资源被释放。
• std::weak_ptr：不增加引用计数，用于解决shared_ptr可能导致的循环引用问题。
• 智能指针可以与自定义删除器一起使用，允许开发者指定如何释放资源。

2.7注意事项

• 智能指针的实现涉及复杂的内存管理和所有权规则。
• 应谨慎使用智能指针，特别是在多线程环境中。

通过这些机制，智能指针确保了资源的安全和有效管理，减少了内存泄漏的风险

总结

智能指针是现代C++编程中不可或缺的工具，它们通过自动管理内存和提供清晰的所有权模型，帮助开发者编写更安全、更健壮的代码。