智能指针在异常安全中的作用 保证资源释放的异常安全保证

智能指针通过raii机制确保异常安全并自动释放资源。1. 使用unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr管理资源所有权，避免内存泄漏；2. 在发生异常时，析构函数自动调用，释放资源；3. 通过weak_ptr解决shared_ptr循环引用问题；4. 可为智能指针指定自定义删除器以处理特殊资源释放；5. 最佳实践包括避免裸指针暴露、使用make_shared/make_unique、确保代码异常安全。

智能指针在异常安全编程中扮演着至关重要的角色，它们的主要作用是在发生异常时自动释放所管理的资源，从而避免资源泄露。简单来说，它们就像资源管理的“安全卫士”，确保即使程序崩溃或抛出异常，资源也能得到妥善处理。

智能指针通过RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则实现异常安全。

如何使用智能指针确保异常安全？

智能指针的核心在于RAII原则，即“资源获取即初始化”。这意味着在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源。由于析构函数在对象生命周期结束时总是会被调用（无论是否发生异常），因此资源释放可以得到保证。

考虑以下场景：

#include 
#include 

void processData() {
  std::unique_ptr data(new int(42)); // 获取资源
  // ... 对数据进行操作，可能抛出异常
  if (*data > 40) {
    throw std::runtime_error("Data too large!");
  }
  std::cout << "Data processed successfully: " << *data << std::endl;
  // data 在函数结束时自动释放
}

int main() {
  try {
    processData();
  } catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
  }
  return 0;
}

在这个例子中，即使processData函数抛出异常，data指向的内存也会在unique_ptr析构时自动释放，避免了内存泄漏。 如果使用裸指针，则需要在try...catch块中手动delete data;，容易出错。

智能指针的类型选择：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，以及各自的适用场景

C++提供了几种智能指针，每种都有其特定的用途：

• unique_ptr: 独占所有权。一个unique_ptr独占它所指向的对象。它不能被复制，只能被移动。适用于明确只有一个所有者的情况，例如上面例子中，函数内部临时使用的资源。

• shared_ptr: 共享所有权。多个shared_ptr可以指向同一个对象，通过引用计数来跟踪对象的生命周期。当最后一个shared_ptr被销毁时，对象才会被释放。适用于多个对象需要共享资源所有权的情况，例如缓存、资源池等。

• weak_ptr: 弱引用。weak_ptr不增加引用计数，它只是观察shared_ptr所指向的对象，不拥有所有权。可以用来检测对象是否仍然存活。常用于解决shared_ptr循环引用问题。

选择哪种智能指针取决于资源的所有权模型。如果资源只需要一个所有者，使用unique_ptr。如果资源需要被多个对象共享，使用shared_ptr。如果只需要观察资源而不拥有所有权，使用weak_ptr。

智能指针的循环引用问题及解决方案

shared_ptr的一个常见问题是循环引用。当两个或多个对象相互持有shared_ptr指向对方时，会导致引用计数永远无法归零，从而造成内存泄漏。

例如：

#include 
#include 

class A;
class B;

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

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

int main() {
  std::shared_ptr a = std::make_shared();
  std::shared_ptr b = std::make_shared();

  a->b_ptr = b;
  b->a_ptr = a;

  // A 和 B 的析构函数不会被调用，因为存在循环引用
  return 0;
}

在这个例子中，A和B相互持有对方的shared_ptr，导致它们的析构函数永远不会被调用。

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#include 
#include 

class A;
class B;

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

class B {
public:
  std::weak_ptr a_ptr; // 使用 weak_ptr
  ~B() { std::cout << "B destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
  std::shared_ptr a = std::make_shared();
  std::shared_ptr b = std::make_shared();

  a->b_ptr = b;
  b->a_ptr = a;

  // A 和 B 的析构函数会被调用
  return 0;
}

#include 
#include 

void closeFile(FILE* fp) {
  if (fp) {
    fclose(fp);
    std::cout << "File closed" << std::endl;
  }
}

int main() {
  FILE* fp = fopen("example.txt", "w");
  if (!fp) {
    std::cerr << "Failed to open file" << std::endl;
    return 1;
  }

  std::unique_ptr filePtr(fp, &closeFile); // 指定自定义删除器

  // ... 使用文件

  // filePtr 销毁时，closeFile 函数会被调用
  return 0;
}

#include 
#include 

void releaseDatabaseConnection(void* conn) {
  // ... 释放数据库连接
  std::cout << "Database connection released" << std::endl;
}

int main() {
  void* conn = nullptr; // 假设这里获取了数据库连接

  std::shared_ptr connectionPtr(conn, &releaseDatabaseConnection); // 指定自定义删除器

  // ... 使用数据库连接

  // connectionPtr 销毁时，releaseDatabaseConnection 函数会被调用
  return 0;
}