本章深入探讨了 C++11 引入的四种智能指针：std::unique_ptr、std::shared_ptr、std::weak_ptr 以及过时的 std::auto_ptr，旨在帮助开发者摆脱原始指针带来的内存管理噩梦。

条款十八：对于独占资源使用 std::unique_ptr

std::unique_ptr 是管理独占资源的首选，高效且零开销。

  • 独占所有权：拥有资源的唯一所有权，不可拷贝（只可移动），析构时自动释放资源。

  • 零开销抽象：默认情况下，大小等同于原始指针，操作指令也基本一致。

  • 适用场景：

    • 工厂函数返回类型：工厂函数创建对象后，由调用者接管所有权。std::unique_ptr 可以高效地转换为 std::shared_ptr，赋予调用者极大的灵活性。

    • Pimpl 惯用法：用于隐藏实现细节（详见条款二十二）。

  • 自定义删除器：

    • 支持自定义资源释放逻辑（如写日志后再 delete）。

    • 类型即定义：删除器类型是 std::unique_ptr 类型的一部分（std::unique_ptr<T, DeleterType>），这可能导致对象尺寸增加（尤其是使用函数指针或有状态的函数对象时）。

    • 推荐使用无状态 Lambda：相比函数指针，无状态 Lambda 不会增加 std::unique_ptr 的大小。

  • 数组支持：提供 std::unique_ptr<T[]> 特化版本，但通常建议使用 std::vector 或 std::array。

条款十九：对于共享资源使用 std::shared_ptr

std::shared_ptr 通过引用计数实现共享所有权，提供类似垃圾回收的自动化内存管理。

  • 共享所有权：多个指针共同拥有一个对象，最后一个指针销毁时释放资源。

  • 性能开销：

    • 内存：大小通常是原始指针的两倍（包含指向对象的指针和指向控制块的指针）。

    • 动态分配：引用计数存储在动态分配的控制块（Control Block）中。

    • 原子操作：引用计数的增减必须是原子操作，以保证线程安全，这比普通整数运算慢。

  • 控制块（Control Block）：

    • 包含引用计数、弱引用计数（weak count）、自定义删除器、自定义分配器等。

    • 创建规则：std::make_shared、从独占指针构造、从原始指针构造时会创建控制块。

    • 陷阱：避免从同一个原始指针创建多个 std::shared_ptr，这会导致多个控制块和重复析构（Double Free）。应直接传递 new 的结果给构造函数，或使用 std::make_shared。

  • 自定义删除器：

    • 删除器不是 std::shared_ptr 类型的一部分，存储在控制块中。

    • 这意味着不同删除器的 std::shared_ptr 可以互相赋值或放入同一个容器。

  • std::enable_shared_from_this：

    • 当需要在类成员函数中安全地创建指向 this 的 std::shared_ptr 时使用。

    • 通过继承该模板类并调用 shared_from_this()，避免重复创建控制块。

条款二十：当 std::shared_ptr 可能悬空时使用 std::weak_ptr

std::weak_ptr 是 std::shared_ptr 的辅助者，用于观测资源但不持有所有权。

  • 不影响引用计数：std::weak_ptr 指向由 std::shared_ptr 管理的对象，但不增加对象的引用计数（即不阻止对象被销毁）。

  • 解决悬空指针问题：能够检测所指对象是否已被销毁（expired()）。

  • 使用方法：

    • 不能直接解引用。

    • 必须通过 lock() 获取 std::shared_ptr 来访问对象（如果对象存在），或检查是否为空。

  • 典型应用场景：

    • 缓存：缓存对象但不阻止其被回收。

    • 观察者模式：Subject 持有 Observer 的弱引用，避免循环引用和悬空访问。

    • 打破循环引用：在 A 和 B 互相引用的场景中，一方使用 weak_ptr 可打破死锁，允许资源被正常回收。

条款二十一：优先考虑使用 std::make_unique 和 std::make_shared，而非直接使用 new

推荐使用 make 函数系列（std::make_unique、std::make_shared）来创建智能指针。

  • 优势：

    • 代码简洁：避免了类型名称的重复书写（如 std::unique_ptr<Widget>(new Widget) vs std::make_unique<Widget>()）。

    • 异常安全：防止在 new 对象和智能指针构造之间发生异常（如函数参数求值顺序导致的泄漏），make 函数将这两步合并为一个原子操作。

    • 性能提升（仅 std::make_shared）：std::make_shared 会分配单块内存同时存放对象和控制块，减少了内存分配次数和开销。

  • 不适用场景：

    • 自定义删除器：make 函数不支持指定自定义删除器。

    • 花括号初始化：make 函数内部使用圆括号完美转发，无法直接使用花括号初始化列表（需通过 auto 变通）。

    • 内存敏感的大对象（仅 std::shared_ptr）：使用 std::make_shared 时，由于对象和控制块在同一内存块，只要有 weak_ptr 存在（控制块存活），整个大对象的内存就无法释放，即使强引用计数已归零。

    • 自定义内存管理：类重载了 operator new/delete 时，make 函数的分配行为可能不符合预期。

条款二十二：当使用 Pimpl 惯用法，请在实现文件中定义特殊成员函数

Pimpl（Pointer to Implementation）惯用法用于减少编译依赖。

  • 问题：在使用 std::unique_ptr 实现 Pimpl 时，如果在头文件中使用默认析构函数，会导致编译错误（“不完整类型”错误）。

    • 原因：std::unique_ptr 的默认删除器在编译期检查类型完整性（sizeof），而头文件中 Impl 类尚未定义。

  • 解决方案：

    • 在头文件中声明析构函数。

    • 在实现文件（.cpp）中，在 Impl 类定义之后，定义析构函数（即使只是 default）。

  • 移动操作：移动构造和移动赋值运算符也面临同样问题，需要在实现文件中定义。

  • 拷贝操作：std::unique_ptr 仅支持移动，若需支持拷贝（深拷贝 Pimpl），必须手动实现拷贝构造和赋值运算符。

  • std::shared_ptr 的不同：std::shared_ptr 不受此限制，因为其删除器是运行时绑定的，不需要在声明时检查类型完整性。