C++如何使用std::unique_ptr和std::shared_ptr管理资源-C++-PHP中文网

std::unique_ptr和std::shared_ptr是C++中用于自动管理资源生命周期的智能指针，遵循RAII原则，前者实现独占所有权，后者通过引用计数实现共享所有权，能有效防止内存泄漏和悬空指针。

c++如何使用std::unique_ptr和std::shared_ptr管理资源

在C++中，

std::unique_ptr

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和

std::shared_ptr

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是现代C++（C++11及更高版本）提供的智能指针，它们的核心作用是自动化内存及其他资源的生命周期管理，从而有效避免内存泄漏和悬空指针等常见问题。简单来说，它们通过RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则，在对象超出作用域时自动释放所持有的资源，大大简化了资源管理的代码，让开发者能更专注于业务逻辑。

unique_ptr

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强调独占所有权，而

shared_ptr

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则支持共享所有权，两者各司其职，覆盖了C++中大部分的资源管理场景。

解决方案

谈到智能指针，我个人觉得这简直是C++迈向“更安全、更现代”的关键一步。以前手动

new

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和

delete

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的日子，总感觉像是在走钢丝，生怕一个不小心就漏了、错了。现在有了智能指针，那种心安理得的感觉，真是太棒了。

使用

std::unique_ptr

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管理独占资源

std::unique_ptr

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，顾名思义，它对所指向的资源拥有“独占”所有权。这意味着在任何时候，只有一个

unique_ptr

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实例能够管理特定的资源。一旦这个

unique_ptr

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被销毁（比如超出作用域），它所管理的资源也会被自动释放。这种独占性让它非常适合那些不希望被多个地方同时引用的资源，例如，一个函数内部创建的对象，或者作为类成员的某个独有组件。

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

它的一个显著特点是不能被复制，但可以被“移动”。移动语义在这里发挥了关键作用，它允许所有权从一个

unique_ptr

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转移到另一个，而不会导致资源被双重释放。

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

// 假设有一个资源类
class MyResource {
public:
    MyResource(int id) : id_(id) {
        std::cout << "MyResource " << id_ << " created." << std::endl;
    }
    ~MyResource() {
        std::cout << "MyResource " << id_ << " destroyed." << std::endl;
    }
    void doSomething() {
        std::cout << "MyResource " << id_ << " doing something." << std::endl;
    }
private:
    int id_;
};

void processUniqueResource(std::unique_ptr<MyResource> res) {
    if (res) { // 检查是否有效
        res->doSomething();
    }
    // res 在这里超出作用域，MyResource 会被自动销毁
}

int main() {
    // 1. 创建 unique_ptr
    // 推荐使用 std::make_unique，它更安全，效率更高
    auto ptr1 = std::make_unique<MyResource>(1);
    ptr1->doSomething();

    // 2. 移动所有权
    // ptr1 的所有权转移给 ptr2，ptr1 变为 nullptr
    auto ptr2 = std::move(ptr1);
    if (ptr1) {
        std::cout << "This should not print." << std::endl;
    }
    if (ptr2) {
        ptr2->doSomething();
    }

    // 3. 将 unique_ptr 作为函数参数传递（通过移动）
    std::cout << "Calling processUniqueResource..." << std::endl;
    processUniqueResource(std::move(ptr2)); // ptr2 再次变为 nullptr
    std::cout << "processUniqueResource returned." << std::endl;

    // 4. unique_ptr 数组
    std::vector<std::unique_ptr<MyResource>> resources;
    resources.push_back(std::make_unique<MyResource>(3));
    resources.push_back(std::make_unique<MyResource>(4));
    // 离开作用域时，vector 中的所有 MyResource 都会被销毁

    // main 函数结束时，所有剩余的 unique_ptr 也会自动释放资源
    return 0;
}

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使用

std::shared_ptr

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管理共享资源

当多个对象需要共享同一个资源的所有权时，

std::shared_ptr

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就派上用场了。它通过引用计数机制来工作：每当有一个

shared_ptr

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指向资源时，引用计数就会增加；当一个

shared_ptr

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被销毁或重新指向其他资源时，引用计数就会减少。只有当引用计数降到零时，资源才会被真正释放。

这对于实现一些复杂的对象图，或者当资源的生命周期不确定，需要由多个不相关的部分共同管理时，非常有用。

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

// 假设有一个资源类
class SharedResource {
public:
    SharedResource(int id) : id_(id) {
        std::cout << "SharedResource " << id_ << " created." << std::endl;
    }
    ~SharedResource() {
        std::cout << "SharedResource " << id_ << " destroyed." << std::endl;
    }
    void showId() {
        std::cout << "SharedResource ID: " << id_ << std::endl;
    }
private:
    int id_;
};

void observeSharedResource(std::shared_ptr<SharedResource> res) {
    std::cout << "  Inside observeSharedResource, ref count: " << res.use_count() << std::endl;
    res->showId();
    // res 在这里超出作用域，引用计数减少
}

int main() {
    // 1. 创建 shared_ptr
    // 推荐使用 std::make_shared，它更安全，效率更高
    auto s_ptr1 = std::make_shared<SharedResource>(10);
    std::cout << "Initial ref count: " << s_ptr1.use_count() << std::endl; // 1

    // 2. 复制 shared_ptr，共享所有权
    auto s_ptr2 = s_ptr1; // 复制，引用计数增加
    std::cout << "After copy to s_ptr2, ref count: " << s_ptr1.use_count() << std::endl; // 2

    // 3. 传递 shared_ptr 作为函数参数（通过值传递或 const 引用）
    observeSharedResource(s_ptr1); // 传递时引用计数会增加1，函数返回时减少1
    std::cout << "After observeSharedResource, ref count: " << s_ptr1.use_count() << std::endl; // 2

    // 4. 创建另一个 shared_ptr
    std::shared_ptr<SharedResource> s_ptr3;
    {
        auto temp_ptr = std::make_shared<SharedResource>(20);
        s_ptr3 = temp_ptr; // 复制，引用计数增加
        std::cout << "Inside block, temp_ptr ref count: " << temp_ptr.use_count() << std::endl; // 2
    } // temp_ptr 销毁，引用计数减少到 1
    std::cout << "After block, s_ptr3 ref count: " << s_ptr3.use_count() << std::endl; // 1

    // main 函数结束时，所有 shared_ptr 销毁，引用计数归零，SharedResource 会被销毁
    return 0;
}

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std::unique_ptr

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和

std::shared_ptr

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的核心区别是什么？何时选择它们？

这真的是一个非常基础但又极其重要的问题，很多时候，选错了智能指针，可能会导致不必要的性能开销，甚至引入难以调试的逻辑错误。

核心区别：所有权模型

std::unique_ptr
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：独占所有权。顾名思义，它独占所管理的对象。这意味着在任何给定时间，只有一个
```
unique_ptr
```
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实例可以指向特定的资源。它的设计哲学是“要么拥有，要么不拥有”。这种独占性确保了资源生命周期的清晰性，资源一旦被
```
unique_ptr
```
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拥有，就由它负责销毁。它的拷贝构造函数是被禁用的，但支持移动构造和移动赋值，这意味着所有权可以从一个
```
unique_ptr
```
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转移到另一个，原
```
unique_ptr
```
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会变为空。
std::shared_ptr
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：共享所有权。多个
```
shared_ptr
```
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实例可以共同管理同一个资源。它内部维护了一个引用计数器，每当有新的
```
shared_ptr
```
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指向该资源时，计数器加一；当一个
```
shared_ptr
```
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失效或被销毁时，计数器减一。只有当引用计数归零时，资源才会被释放。它的设计理念是“大家一起管理，直到最后一个管理者离开”。

何时选择它们？

这其实是一个关于资源语义的问题，我通常是这样思考的：

首选
```
std::unique_ptr
```
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。如果你能明确地知道某个资源只有一个“老板”，或者说它的生命周期完全由一个特定的对象或作用域来控制，那么
```
unique_ptr
```
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几乎总是最佳选择。
- 场景示例：
  - 局部变量： 函数内部创建的对象，只在该函数生命周期内有效。
  - 类成员： 一个类拥有一个独占的子组件，这个子组件的生命周期与父类绑定。
  - 工厂函数返回对象：
```
std::unique_ptr
```
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    非常适合作为工厂函数的返回值，它清晰地表明工厂创建了一个新对象，并将所有权转移给调用者。
  - 性能敏感的场景：
```
unique_ptr
```
    登录后复制
    没有引用计数的开销，通常比
```
shared_ptr
```
    登录后复制
    更快。
当需要共享所有权时才使用
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
。如果一个资源的生命周期需要被多个不相关的对象共同管理，而且这些对象都没有一个明确的“主导者”，那么
```
shared_ptr
```
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就是不二之选。
- 场景示例：
  - 缓存系统： 多个客户端可能需要访问同一个缓存项，只要有客户端还在使用，缓存项就不能被销毁。
  - 图形场景中的对象： 一个模型可能被多个场景节点引用，只有当所有引用都消失时，模型才会被卸载。
  - 树形或图状数据结构： 节点之间可能互相引用，但没有一个明确的父子关系来决定生命周期。
  - 观察者模式： 观察者和被观察者都持有资源的
```
shared_ptr
```
    登录后复制
    ，当所有观察者都解注册后，资源才释放。

我个人在写代码时，总是先尝试用

unique_ptr

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，如果发现逻辑上确实需要多个地方共享资源，并且没有一个明确的单点来管理其生命周期，才会转向

shared_ptr

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。这种“默认

unique_ptr

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，按需

shared_ptr

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”的策略，能帮助我们写出更高效、更清晰的代码。

如何避免

std::shared_ptr

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导致的循环引用问题？

std::weak_ptr

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在其中扮演什么角色？

啊，

shared_ptr

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的循环引用，这简直是智能指针使用中的一个经典陷阱，也是我最初接触时最容易犯错的地方。它会悄无声息地导致内存泄漏，因为引用计数永远不会降到零，资源也就永远不会被释放。

循环引用是如何发生的？

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简单来说，就是两个或更多个

shared_ptr

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实例互相持有对方的

shared_ptr

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。想象一下两个对象A和B：A持有一个指向B的

shared_ptr

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，同时B也持有一个指向A的

shared_ptr

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。当它们各自的外部引用都消失后，A和B的引用计数都不会降到零（因为它们互相引用），导致这两个对象都无法被销毁。

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前向声明

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

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

int main() {
    std::cout << "Starting main..." << std::endl;
    {
        auto a = std::make_shared<A>(); // a.use_count() == 1
        auto b = std::make_shared<B>(); // b.use_count() == 1

        a->b_ptr = b; // b.use_count() == 2 (A持有B)
        b->a_ptr = a; // a.use_count() == 2 (B持有A)

        std::cout << "a's ref count: " << a.use_count() << std::endl;
        std::cout << "b's ref count: " << b.use_count() << std::endl;
    } // a 和 b 在这里超出作用域

    std::cout << "Exiting main." << std::endl;
    // 预期 A 和 B 都不会被销毁，因为它们的引用计数都停留在 1
    // A 的 b_ptr 引用 B，B 的 a_ptr 引用 A
    return 0;
}

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运行上面的代码，你会发现"A destroyed"和"B destroyed"都没有打印出来，这就是循环引用导致的内存泄漏。

std::weak_ptr

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的角色：打破循环

std::weak_ptr

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正是为了解决

shared_ptr

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的循环引用问题而设计的。它是一种“弱引用”智能指针，它指向由

shared_ptr

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管理的对象，但不增加对象的引用计数。你可以把它想象成一个观察者，它知道资源在哪里，但并不参与资源的生命周期管理。

当

weak_ptr

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所观察的资源（被

shared_ptr

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管理的对象）仍然存在时，你可以通过

weak_ptr::lock()

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方法获得一个

shared_ptr

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，从而安全地访问资源。如果资源已经被销毁（所有

shared_ptr

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都已失效），

lock()

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会返回一个空的

shared_ptr

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。

如何使用

std::weak_ptr

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避免循环引用？

核心思想是：在可能形成循环引用的关系中，将其中一方的

shared_ptr

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替换为

weak_ptr

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。通常，我们会让“子”或“观察者”持有对“父”或“被观察者”的

weak_ptr

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。

以上面的A和B为例，如果我们将B对A的引用改为

weak_ptr

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：

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前向声明

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

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // 这里改为 weak_ptr
    B() { std::cout << "B constructed" << std::endl; }
    ~B() { std::cout << "B destroyed" << std::endl; }
    void accessA() {
        if (auto sharedA = a_ptr.lock()) { // 尝试获取 shared_ptr
            std::cout << "B is accessing A." << std::endl;
            // 可以在这里使用 sharedA
        } else {
            std::cout << "A has been destroyed." << std::endl;
        }
    }
};

int main() {
    std::cout << "Starting main..." << std::endl;
    {
        auto a = std::make_shared<A>(); // a.use_count() == 1
        auto b = std::make_shared<B>(); // b.use_count() == 1

        a->b_ptr = b; // b.use_count() == 2 (A持有B)
        b->a_ptr = a; // a_ptr 是 weak_ptr，不增加 A 的引用计数，a.use_count() 仍然是 1

        std::cout << "a's ref count: " << a.use_count() << std::endl; // 1
        std::cout << "b's ref count: " << b.use_count() << std::endl; // 2

        b->accessA(); // B 仍然可以访问 A
    } // a 和 b 在这里超出作用域

    std::cout << "Exiting main." << std::endl;
    // 此时，A 和 B 都将正常销毁
    return 0;
}

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这次运行，你会看到"A destroyed"和"B destroyed"都正常打印了。当外部

shared_ptr a

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失效时，

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的引用计数降为0，

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被销毁。

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被销毁后，其内部的

b_ptr

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也会失效，导致

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的引用计数降为1。当外部

shared_ptr b

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失效时，

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的引用计数降为0，

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被销毁。循环引用被成功打破。

选择使用

weak_ptr

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的关键在于识别出那些“非拥有”但需要“观察”资源的关系。这种模式在父子关系（子节点弱引用父节点）、观察者模式（观察者弱引用被观察者）等场景中非常常见。

除了内存，智能指针还能管理哪些类型的资源？如何实现自定义资源管理？

智能指针的威力远不止于内存管理，这是它们设计理念中非常优雅和强大的一面。

std::unique_ptr

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和

std::shared_ptr

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都可以通过自定义删除器（Custom Deleter）来管理任何需要显式释放的资源，只要这些资源能被一个指针或句柄来表示。

这完全符合RAII（Resource Acquisition Is Initialization）的精髓：资源在构造时获取，在析构时释放。智能指针就是这个“析构时释放”的完美载体。

智能指针可以管理的非内存资源示例：

文件句柄：
```
FILE*
```
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（C风格文件操作）、
```
HANDLE
```
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（Windows文件句柄）。
网络套接字：
```
SOCKET
```
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（Winsock）、文件描述符（Linux/Unix）。
互斥锁/信号量：
```
pthread_mutex_t*
```
登录后复制
、
```
HANDLE
```
登录后复制
（Windows Mutex）。
数据库连接： 数据库API返回的连接对象指针。
动态库句柄：
```
dlopen
```
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返回的句柄。
图形资源： OpenGL纹理ID、Vulkan句柄等。

如何实现自定义资源管理（自定义删除器）？

自定义删除器是一个可调用对象（函数、函数对象、Lambda表达式），它接收一个指向资源的原始指针作为参数，并负责释放该资源。

对于

std::unique_ptr

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：

自定义删除器是其模板参数的一部分。这意味着删除器的类型会影响

unique_ptr

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的类型。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <cstdio> // For FILE* and fclose

// 1. 使用函数作为删除器
void closeFile(FILE* filePtr) {
    if (filePtr) {
        std::cout << "Closing file using function deleter." << std::endl;
        fclose(filePtr);
    }
}

// 2. 使用 Lambda 表达式作为删除器（更常见和灵活）
// Lambda 通常是无状态的，或者捕获少量变量
auto customFileDeleter = [](FILE* filePtr) {
    if (filePtr) {
        std::cout << "Closing file using lambda deleter." << std::endl;
        fclose(filePtr);
    }
};

int main() {
    // 示例1: 管理文件句柄，使用函数作为删除器
    // 注意 unique_ptr 的第二个模板参数是删除器的类型
    std::unique_ptr<FILE, decltype(&closeFile)> file1(fopen("test1.txt", "w"), &closeFile);
    if (file1) {
        fprintf(file1.get(), "Hello from file1!\n");
        std::cout << "File1 opened successfully." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Failed to open test1.txt" << std::endl;
    }
    // file1 超出作用域时，closeFile 会被调用

    // 示例2: 管理文件句柄，使用 Lambda 作为删除器
    // decltype(customFileDeleter) 会自动推导出 Lambda 的类型
    std::unique_ptr<FILE, decltype(customFileDeleter)> file2(fopen("test2.txt", "w"), customFileDeleter);
    if (file2) {
        fprintf(file2.get(), "Hello from file2!\n");
        std::cout << "File2 opened successfully." << std::endl;
    } else {

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以上就是C++如何使用std::unique_ptr和std::shared_ptr管理资源的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！