从0开始学C++ 第二十五课：C++中的资源管理与智能指针

第二十五课：C++中的资源管理与智能指针

学习目标：

• 理解动态内存管理的原理与实践。
• 掌握智能指针的概念、用途及其在动态内存管理中的应用。

学习内容：

1. 动态内存管理基础：

   • C++程序在运行时分配的内存主要分为两种：自动存储（如局部变量）和动态存储（使用动态内存分配）。
   • 使用new操作符可以在堆上分配内存，它返回指向新分配类型的指针。使用delete操作符释放由new分配的内存。

   int* ptr = new int;    // 分配单个整数
   *ptr = 5;              // 给分配的整数赋值
   delete ptr;            // 释放内存
   ptr = nullptr;         // 将ptr设置为nullptr，防止悬空指针
   

   • 对于数组的动态分配，使用带有方括号的new和delete。

   int* array = new int[10];   // 分配10个整数的数组
   delete[] array;              // 释放整个数组
   

   • 动态内存管理的问题：
     • 内存泄漏：忘记释放内存导致程序占用越来越多的内存。
     • 悬空指针：释放内存后继续使用原来的指针。
     • 双重删除：对同一个内存地址调用两次delete。

2. 智能指针简介：

   • 智能指针是一种对象，它像常规指针一样使用，但会在适当的时候自动释放它所管理的资源。这些指针是模板类，定义在<memory>头文件中。

3. std::unique_ptr:

   • std::unique_ptr提供了独占的内存所有权模型。一旦std::unique_ptr对象被销毁，它所指向的对象也会被自动销毁。
   • std::unique_ptr不支持拷贝和赋值，确保同一时间只有一个unique_ptr指向特定资源。
   • 通常使用std::make_unique函数创建std::unique_ptr实例。

   std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(10); // 使用make_unique
   

4. std::shared_ptr:

   • std::shared_ptr使用引用计数机制来确保多个指针可以共享同一资源的所有权。
   • 当最后一个shared_ptr被销毁时，资源会被自动释放。
   • 通常使用std::make_shared函数创建std::shared_ptr实例。

   std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(20); // 使用make_shared
   

5. std::weak_ptr:

   • std::weak_ptr设计用来解决std::shared_ptr可能导致的循环引用问题。
   • std::weak_ptr不控制对象的生命周期，在需要时通过调用lock方法尝试获取std::shared_ptr来访问资源。

   std::weak_ptr<int> wptr = sptr; // sptr是一个shared_ptr
   if (std::shared_ptr<int> sptr_locked = wptr.lock()) {
       // 使用sptr_locked访问资源
   } else {
       // 资源已经被释放
   }
   

练习题：

编写一个程序，创建一个std::shared_ptr管理的int数组。使用std::shared_ptr和std::weak_ptr演示资源共享和弱引用的概念。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    // 创建一个shared_ptr管理的int数组
    std::shared_ptr<int[]> sptr(new int[3]{1, 2, 3}, std::default_delete<int[]>());

    // 创建一个weak_ptr指向同一个数组
    std::weak_ptr<int[]> wptr(sptr);

    // 使用lock()尝试获取一个shared_ptr
    if (auto shared = wptr.lock()) {
        for (int i = 0; i < 3; ++i) {
            std::cout << shared[i] << ' ';
        }
        std::cout << '\n';
    } else {
        std::cout << "资源已释放。\n";
    }

    // shared_ptr离开作用域，数组被自动释放
    return 0;
}

// 预计输出效果
// 1 2 3

答案解析：
本练习中，我们首先创建了一个由std::shared_ptr管理的整数数组。然后，我们创建了一个std::weak_ptr，指向相同的数组。通过lock方法尝试获取std::shared_ptr，如果资源仍然存在，我们输出数组的内容。当最后一个std::shared_ptr被销毁时，数组资源也会被自动释放。