如何选择最适合的智能指针类型根据所有权需求选择指针的决策指南-C++-PHP中文网

1.选择智能指针类型需先明确资源所有权模式。若资源为独占所有权，应选择std::unique_ptr，它支持移动语义转移所有权但不允许多个指针共享，适用于工厂函数返回值、pimpl模式及容器中独立对象的存储；2.若资源需多方共享管理，则使用std::shared_ptr，其通过引用计数自动释放资源，但需警惕循环引用问题；3.当存在循环引用风险时，必须引入std::weak_ptr作为观察者打破循环，它不增加引用计数，在访问前需通过lock()转换为shared_ptr以确保安全性。这三种智能指针的设计哲学分别对应独占、共享与观察，合理选择可提升代码安全性与效率。

如何选择最适合的智能指针类型根据所有权需求选择指针的决策指南

选择最适合的智能指针类型，核心在于你如何定义和管理内存资源的所有权。是独占、共享，还是仅仅观察？明确了这一点，对应的智能指针类型自然就浮出水面了。这不像是在做一道复杂的数学题，更像是在设计一个系统，你需要为每个组件找到最恰当的负责人。

解决方案

说实话，智能指针的出现，极大程度上缓解了C++中手动内存管理的痛苦，但同时也引入了新的选择困境。要解决这个问题，我们得从每种智能指针的设计哲学说起。

std::unique_ptr

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代表的是独占所有权。这意味着一块内存资源，在任何时候都只有一个

unique_ptr

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指向它。一旦这个

unique_ptr

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被销毁，它所指向的内存也会随之释放。它的特点是轻量、高效，不支持拷贝，只能通过移动语义转移所有权。这就像你拥有一件传家宝，你可以把它传给你的后代，但你不能同时拥有两件一模一样的。

std::shared_ptr

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则实现了共享所有权。多份

shared_ptr

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可以同时指向同一块内存资源，并且通过引用计数来追踪有多少个

shared_ptr

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正在使用这块内存。当最后一个

shared_ptr

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被销毁时，内存才会被释放。它的优点是方便，特别是在需要多方协作管理同一资源时。但缺点也很明显，额外的引用计数会带来性能开销，而且，最让人头疼的是循环引用问题。想象一下，几个人共同拥有一本书，只要有一个人在读，书就不能被丢弃。

std::weak_ptr

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并非一个独立的所有权模型，它更像是

std::shared_ptr

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的一个观察者。它不拥有资源，也不会增加引用计数。它的主要作用就是为了解决

std::shared_ptr

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的循环引用问题。你可以把它看作是一个“旁观者”或者“监听器”，它知道资源的存在，但不会阻止资源的销毁。你需要先通过

lock()

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方法将其提升为

std::shared_ptr

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才能安全地访问资源。

所以，选择的关键在于：你的资源是只能有一个主人，还是可以有多个主人共同管理？如果是前者，毫不犹豫地选择

unique_ptr

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。如果是后者，

shared_ptr

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是首选，但务必警惕并使用

weak_ptr

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来打破潜在的循环引用。

何时使用

std::unique_ptr

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管理独占所有权？

当我们谈论独占所有权时，

std::unique_ptr

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几乎是唯一的、也是最好的选择。它的设计哲学就是“一夫一妻制”——一个资源，一个指针。这种模式在很多场景下都显得异常强大且高效。

例如，当你有一个工厂函数，它负责创建并返回一个新对象时，你通常希望这个新创建的对象的所有权完全转移给调用者，而不是在工厂函数内部保留任何引用。这时候，返回

std::unique_ptr<T>

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就是最自然、最符合逻辑的方式。调用者拿到这个

unique_ptr

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后，就拥有了对这个对象的完全控制权，可以随意使用、移动甚至销毁它，而不用担心资源泄露。

再比如，在实现PIMPL（Pointer to Implementation）模式时，

unique_ptr

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也是一个绝佳搭档。它允许你将类的内部实现细节完全隐藏起来，只通过一个指向私有实现类的

unique_ptr

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来进行交互。这样既保证了接口的稳定性，又避免了头文件中的不必要依赖，编译时间也能得到显著改善。

// 示例：工厂函数返回 unique_ptr
class Product {
public:
    void use() { /* ... */ }
};

std::unique_ptr<Product> createProduct() {
    return std::make_unique<Product>(); // 返回独占所有权
}

// 示例：PIMPL 模式
// MyClass.h
class MyClassImpl; // 前向声明

class MyClass {
public:
    MyClass();
    ~MyClass();
    void doSomething();
private:
    std::unique_ptr<MyClassImpl> pImpl;
};

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此外，当你在容器中存储对象时，如果这些对象是独立的，并且它们的生命周期由容器完全管理，那么使用

std::vector<std::unique_ptr<T>>

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也是一个非常好的选择。它比直接存储

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的拷贝更灵活（特别是当

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不可拷贝时），也比

shared_ptr

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更轻量。

总而言之，只要你确定某个资源在某个时刻只会被一个实体所拥有和管理，那么

std::unique_ptr

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就是你的不二之选。它的零开销抽象（在运行时几乎没有额外开销）和清晰的所有权语义，让代码变得更安全、更易懂。

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如何通过

std::shared_ptr

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实现共享所有权并避免循环引用？

std::shared_ptr

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的魅力在于它能够轻松实现资源的共享。当你需要多个对象或模块共同管理一份资源时，比如一个配置对象被多个服务模块访问，或者一个大的数据结构被多个算法线程共享，

shared_ptr

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就能派上用场。它通过内部的引用计数机制，确保只要有一个

shared_ptr

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还在引用资源，资源就不会被释放。这极大地简化了多所有者场景下的内存管理。

然而，它的便利性也伴随着一个臭名昭著的陷阱——循环引用。这是一个非常隐蔽的问题，一旦发生，就会导致内存泄漏。简单来说，就是两个或多个

shared_ptr

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相互引用，形成一个闭环。例如，对象A有一个

shared_ptr

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指向对象B，同时对象B也有一个

shared_ptr

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指向对象A。在这种情况下，即使外部所有指向A和B的

shared_ptr

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都被销毁了，A和B的引用计数也永远不会降到零，因为它们彼此互相持有，导致它们永远不会被销毁。

// 典型的循环引用问题
class B; // 前向声明

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

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

void create_circular_reference() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    // a 和 b 在这里离开作用域，但它们的析构函数不会被调用
    // 因为它们的引用计数永远不会变为0
}

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解决这个问题的关键就是引入

std::weak_ptr

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。

weak_ptr

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是一种非拥有型智能指针，它指向由

shared_ptr

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管理的对象，但不会增加对象的引用计数。它就像一个“观察者”，可以安全地访问资源，但不会影响资源的生命周期。

当你发现你的设计中存在循环引用风险时，你应该将其中一个

shared_ptr

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替换为

weak_ptr

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。通常，我们会将“父”对象指向“子”对象的指针设为

shared_ptr

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，而“子”对象指向“父”对象的指针设为

weak_ptr

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。这样，“子”对象就不会阻止“父”对象的销毁。

// 使用 weak_ptr 解决循环引用
class B_fixed;

class A_fixed {
public:
    std::shared_ptr<B_fixed> b_ptr;
    ~A_fixed() { std::cout << "A_fixed destroyed!" << std::endl; }
};

class B_fixed {
public:
    std::weak_ptr<A_fixed> a_ptr; // 使用 weak_ptr
    ~B_fixed() { std::cout << "B_fixed destroyed!" << std::endl; }
};

void solve_circular_reference() {
    auto a = std::make_shared<A_fixed>();
    auto b = std::make_shared<B_fixed>();
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a; // 这里不会增加 a 的引用计数
    // 当 a 和 b 离开作用域时，它们的引用计数会正确归零，并被销毁
}

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通过这种方式，当外部所有指向

A_fixed

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的

shared_ptr

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都被销毁时，

A_fixed

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的引用计数会降到零，从而被销毁。

A_fixed

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销毁时，其内部的

b_ptr

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也会被销毁，导致

B_fixed

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的引用计数降到零，最终

B_fixed

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也会被销毁。循环引用问题迎刃而解。

为什么

std::weak_ptr

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是解决智能指针循环引用的关键？

std::weak_ptr

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的存在，就是为了弥补

std::shared_ptr

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在处理复杂对象关系时的不足，尤其是循环引用这个顽疾。它不是一个独立的所有权管理工具，而是一个依附于

std::shared_ptr

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的辅助工具。它的核心价值在于“非拥有”的语义。

想象一下一个发布-订阅系统，发布者可能持有一个

shared_ptr

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指向订阅者列表，而每个订阅者可能也需要一个方式来引用回发布者，以便在需要时取消订阅或者获取发布者的信息。如果订阅者也用

shared_ptr

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指向发布者，那么就形成了循环引用。这时，订阅者持有的就应该是

std::weak_ptr

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。

weak_ptr

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不会增加它所指向对象的引用计数。这意味着，即使有多个

weak_ptr

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指向同一个对象，只要没有

shared_ptr

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指向它，这个对象仍然可以被销毁。它提供了一种“弱引用”的能力，允许你在不影响对象生命周期的情况下观察对象。

当你需要访问

weak_ptr

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所指向的对象时，你必须先调用它的

lock()

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方法。

lock()

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方法会尝试将

weak_ptr

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提升为一个

std::shared_ptr

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。如果对象仍然存在（即还有

shared_ptr

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在引用它），

lock()

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就会返回一个有效的

shared_ptr

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；如果对象已经被销毁了（因为所有

shared_ptr

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都已离开作用域），

lock()

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就会返回一个空的

shared_ptr

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。这个机制非常重要，因为它允许你在使用前检查对象的有效性，避免了访问已销毁内存的风险。

// weak_ptr 的 lock() 方法
std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
std::weak_ptr<int> wp = sp; // wp 观察 sp

if (auto locked_sp = wp.lock()) { // 尝试提升为 shared_ptr
    std::cout << "Value: " << *locked_sp << std::endl; // 成功访问
} else {
    std::cout << "Object no longer exists." << std::endl;
}

sp.reset(); // 销毁 sp 指向的对象

if (auto locked_sp = wp.lock()) {
    std::cout << "Value: " << *locked_sp << std::endl;
} else {
    std::cout << "Object no longer exists." << std::endl; // 输出此行
}

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所以，