C++智能指针引用计数原理解析-C++-PHP中文网

C++智能指针引用计数原理解析

P粉602998670

发布： 2025-09-22 14:22:01

原创

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引用计数通过共享所有权自动管理对象生命周期，解决内存泄漏与野指针问题；其核心是控制块中的强弱引用计数，配合原子操作确保线程安全；但需警惕循环引用、性能开销等挑战，可通过weak_ptr打破循环、优先使用make_shared优化分配，并根据所有权语义合理选择智能指针类型。

c++智能指针引用计数原理解析

C++智能指针中的引用计数，说白了，就是一种巧妙的内存管理机制，它让多个智能指针实例能够共同“拥有”同一个对象。当这个对象的所有者（也就是所有指向它的智能指针）都消失了，引用计数归零，对象也就自动被销毁了。它解决了手动管理内存时最头疼的内存泄漏和野指针问题，让程序员能更专注于业务逻辑，而不是整天提心吊胆地想着

delete

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。

引用计数的核心在于为每一个被管理的对象维护一个计数器。每当有一个新的

std::shared_ptr

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实例指向这个对象时，计数器就加一；每当一个

std::shared_ptr

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实例不再指向这个对象（比如它被销毁了，或者被赋值了新的对象），计数器就减一。一旦计数器归零，这就意味着没有任何

std::shared_ptr

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再关心这个对象了，此时，它就会被安全地销毁。这个计数器本身通常是原子操作的，以确保在多线程环境下也能正确地管理对象的生命周期。可以说，它就像一个隐形的管家，默默地为我们打理着对象的生老病死。

为什么需要引用计数，它解决了什么痛点？

在我看来，引用计数之所以成为现代C++不可或缺的一部分，因为它直接击中了C++传统内存管理的几个核心痛点。

最明显的，就是内存泄漏。想想看，我们用

new

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分配了一块内存，然后可能因为程序逻辑复杂，或者异常发生，或者干脆就是粗心大意，忘了调用

delete

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。结果呢？那块内存就成了“孤儿”，永远不会被回收，直到程序结束。如果这种情况频繁发生，系统资源就会被耗尽。

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另一个让人头大的问题是野指针和重复释放。当多个原始指针指向同一个对象时，如果其中一个指针提前

delete

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了对象，其他指针就变成了野指针，再去访问就会导致未定义行为甚至程序崩溃。更糟的是，如果多个指针都尝试

delete

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同一个对象，那就会导致重复释放，这在操作系统层面是严重错误。

引用计数，特别是

std::shared_ptr

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，就是为了解决这些问题而生的。它提供了一种共享所有权的语义。你不需要去判断什么时候该

delete

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，也不用担心多个地方引用同一个对象时谁来负责销毁。只要还有

shared_ptr

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指向它，对象就安然无恙；当最后一个

shared_ptr

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消失，对象就自动、安全地被清理了。这就像是给对象设置了一个“生命维持系统”，只要还有“生命线”连接着，它就活着。这种自动化管理极大地提升了代码的健壮性和开发效率，让我可以把更多精力放在业务逻辑上，而不是与内存错误搏斗。

引用计数是如何在底层实现的？（以

std::shared_ptr

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为例）

要理解

std::shared_ptr

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的引用计数，就不得不提它的“幕后英雄”——控制块（Control Block）。这玩意儿通常是一个单独在堆上分配的小结构，它不直接存储你的对象，而是存储着关于你对象的一些管理信息。

一个典型的控制块至少会包含以下几个关键部分：

强引用计数（Strong Count）：这就是我们常说的引用计数，一个整数（通常是
```
std::atomic_long
```
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，为了线程安全）。它记录了有多少个
```
std::shared_ptr
```
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实例正在“拥有”这个对象。当它归零时，意味着对象可以被销毁了。
弱引用计数（Weak Count）：这是为
```
std::weak_ptr
```
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准备的。
```
weak_ptr
```
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不拥有对象，所以它不会增加强引用计数，但它会增加弱引用计数。当强引用计数和弱引用计数都归零时，控制块本身才会被销毁。
指向被管理对象的指针：这是控制块真正指向你的
```
T*
```
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对象的地方。
自定义删除器（Custom Deleter）：如果你在创建
```
shared_ptr
```
登录后复制
时指定了特殊的删除逻辑（比如不是简单地
```
delete
```
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，而是
```
fclose
```
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一个文件句柄），这个删除器就会存储在这里。
自定义分配器（Custom Allocator）：如果你使用了自定义的内存分配器，相关信息也会在这里。

当一个

std::shared_ptr

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被创建时（例如通过

std::make_shared

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或从原始指针构造），如果它管理的内存还没有对应的控制块，就会先创建一个控制块。这个控制块的强引用计数被初始化为1，弱引用计数为0。

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复制构造或赋值一个
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
时，只是简单地将源
```
shared_ptr
```
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的控制块指针复制过来，然后将控制块里的强引用计数加一。
std::shared_ptr
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的析构函数被调用时，它会先将控制块里的强引用计数减一。
- 如果强引用计数减到零，那么它就会调用之前存储的删除器（默认是
```
delete
```
  登录后复制
  ）来销毁被管理的对象。
- 接着，它会检查弱引用计数。如果此时强引用计数和弱引用计数都为零，那么控制块本身也会被销毁，释放掉它占用的内存。

这种分离的设计非常巧妙，它确保了即使所有

shared_ptr

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都消失了，只要还有

weak_ptr

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存在，控制块就不会立即销毁，

weak_ptr

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仍然可以判断对象是否存活。这种机制在多线程环境下尤其重要，因为原子操作保证了计数的正确性，避免了竞态条件。

引用计数可能带来哪些问题和挑战，又该如何规避？

引用计数虽然强大，但它也不是银弹，在使用中也可能遇到一些问题和挑战，我们得学会如何规避它们。

首先，最经典也最令人头疼的就是循环引用（Circular References）。这是

shared_ptr

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最著名的陷阱。当两个或多个对象通过

shared_ptr

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相互持有对方的引用时，它们的强引用计数永远不会降到零，即使外部已经没有其他

shared_ptr

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指向它们了，它们也无法被销毁，最终导致内存泄漏。比如，对象A有一个指向B的

shared_ptr

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，同时对象B也有一个指向A的

shared_ptr

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。它们互相依赖，谁也无法释放对方，形成了一个“死锁”般的循环。

规避方法：对于循环引用，解决方案通常是引入

std::weak_ptr

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。

weak_ptr

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是一种“非拥有”的智能指针，它不会增加对象的强引用计数。当你需要打破循环时，让其中一个对象持有另一个对象的

weak_ptr

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而不是

shared_ptr

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。这样，当外部对这两个对象的强引用都消失后，即使它们之间有

weak_ptr

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的相互引用，强引用计数也能归零，对象就能被正常销毁了。在使用

weak_ptr

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时，你需要通过

lock()

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方法尝试获取一个

shared_ptr

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，如果对象已经不存在了，

lock()

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会返回一个空的

shared_ptr

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。

其次，是性能开销。

shared_ptr

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的引用计数操作（增减）通常需要原子操作来保证多线程安全，这比普通的非原子操作要慢一些。此外，控制块通常需要单独的堆内存分配（除非使用

std::make_shared

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），这也增加了额外的内存分配和访问开销。对于性能敏感的场景，这些开销是需要考虑的。

规避方法：

优先使用
std::make_shared
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：
```
make_shared
```
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能够一次性分配对象和控制块所需的内存，减少了一次堆分配，并且通常能更好地利用缓存，提高性能。
理解所有权语义：如果对象是独占所有权（只有一个地方拥有并负责销毁它），那么
```
std::unique_ptr
```
登录后复制
是更好的选择。
```
unique_ptr
```
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几乎没有运行时开销，因为它不需要引用计数。只有在确实需要共享所有权时，才使用
```
std::shared_ptr
```
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。
避免不必要的
shared_ptr
登录后复制
拷贝：每次拷贝都会导致原子操作。如果只是临时访问对象，可以考虑传递
```
shared_ptr
```
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的引用，或者在确保对象存活的情况下，直接传递原始指针。
性能分析：如果怀疑
```
shared_ptr
```
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是性能瓶颈，进行详细的性能分析是必要的，不要过早优化。