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C++如何在复合对象中使用智能指针

P粉602998670

发布： 2025-09-04 09:07:01

原创

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使用智能指针管理复合对象内存，可防止泄漏。选择unique_ptr实现独占所有权，shared_ptr实现共享所有权，weak_ptr打破循环引用。通过make_unique和make_shared安全初始化，避免shared_ptr循环引用导致内存泄漏。在多线程环境中，shared_ptr引用计数线程安全，但对象访问需加锁，unique_ptr不可共享，可用原子操作或互斥锁保护共享数据。示例展示了组件模式中unique_ptr管理子对象及weak_ptr解决循环引用问题。

c++如何在复合对象中使用智能指针

C++中在复合对象中使用智能指针，是为了更好地管理内存，防止内存泄漏。核心在于确保当复合对象销毁时，其拥有的子对象的内存也能被正确释放。使用智能指针，特别是

std::unique_ptr

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和

std::shared_ptr

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，可以自动处理这些内存管理任务。

解决方案

在复合对象中使用智能指针，通常涉及以下几个关键点：

选择合适的智能指针类型：

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- ```
std::unique_ptr
```
  登录后复制
  ：当复合对象对子对象拥有独占所有权时，使用
```
std::unique_ptr
```
  登录后复制
  。这意味着只有一个智能指针可以指向该子对象。当
```
unique_ptr
```
  登录后复制
  离开作用域时，它会自动删除所指向的对象。
- ```
std::shared_ptr
```
  登录后复制
  ：当多个对象需要共享对子对象的所有权时，使用
```
std::shared_ptr
```
  登录后复制
  。
```
shared_ptr
```
  登录后复制
  使用引用计数来跟踪有多少个
```
shared_ptr
```
  登录后复制
  指向同一个对象。当最后一个
```
shared_ptr
```
  登录后复制
  离开作用域时，才会删除所指向的对象。
- ```
std::weak_ptr
```
  登录后复制
  ：
```
weak_ptr
```
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  是一种不拥有所有权的智能指针，通常与
```
shared_ptr
```
  登录后复制
  一起使用。它可以用来观察
```
shared_ptr
```
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  所指向的对象，而不会增加引用计数。这可以避免循环引用导致内存泄漏。
初始化智能指针：
- 使用
```
std::make_unique
```
  登录后复制
  创建
```
unique_ptr
```
  登录后复制
  ，它可以防止异常安全问题。
- 使用
```
std::make_shared
```
  登录后复制
  创建
```
shared_ptr
```
  登录后复制
  ，同样是为了异常安全。
避免循环引用（对于
```
shared_ptr
```
登录后复制
）：

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- 当两个或多个对象互相持有
```
shared_ptr
```
  登录后复制
  时，可能形成循环引用，导致内存泄漏。使用
```
weak_ptr
```
  登录后复制
  可以打破这种循环。
使用智能指针管理容器中的对象：
- 当复合对象包含一个容器（如
```
std::vector
```
  登录后复制
  或
```
std::list
```
  登录后复制
  ），并且容器中的元素是指向子对象的指针时，可以使用智能指针来管理这些子对象。

示例代码

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

class Component {
public:
    virtual void operation() = 0;
    virtual ~Component() = default;
};

class ConcreteComponentA : public Component {
public:
    void operation() override {
        std::cout << "ConcreteComponentA operation\n";
    }
};

class ConcreteComponentB : public Component {
public:
    void operation() override {
        std::cout << "ConcreteComponentB operation\n";
    }
};

class Composite {
private:
    std::vector<std::unique_ptr<Component>> children;

public:
    void add(std::unique_ptr<Component> child) {
        children.push_back(std::move(child));
    }

    void operation() {
        for (const auto& child : children) {
            child->operation();
        }
    }
};

int main() {
    Composite composite;
    composite.add(std::make_unique<ConcreteComponentA>());
    composite.add(std::make_unique<ConcreteComponentB>());
    composite.operation(); // 输出 ConcreteComponentA operation 和 ConcreteComponentB operation
    return 0;
}

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如何选择

unique_ptr

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、

shared_ptr

登录后复制

和

weak_ptr

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？

选择哪种智能指针取决于对象的所有权模型。

unique_ptr
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：适用于对象的所有权是独占的，即只有一个所有者。例如，一个类的成员变量，该类负责管理该成员的生命周期。
shared_ptr
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：适用于多个对象需要共享所有权的情况。例如，多个对象需要访问同一个资源，并且该资源需要在所有对象都不再需要时才被释放。
weak_ptr
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：适用于需要观察
```
shared_ptr
```
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所指向的对象，但不希望拥有所有权的情况。例如，缓存，当缓存中的对象不再被其他对象使用时，应该被释放。

如何避免循环引用导致的内存泄漏？

循环引用发生在两个或多个对象互相持有

shared_ptr

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指向对方时。当这些对象不再被外部引用时，它们的引用计数永远不会降到0，导致内存泄漏。

解决循环引用的方法是使用

weak_ptr

登录后复制

。

weak_ptr

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不会增加引用计数，因此可以打破循环引用。

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    ~A() { std::cout << "A is destroyed\n"; }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // 使用 weak_ptr 打破循环引用
    ~B() { std::cout << "B is destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();

    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;

    return 0; // A 和 B 对象都会被正确销毁
}

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智能指针在多线程环境下的使用需要注意什么？

在多线程环境下使用智能指针需要特别小心，因为多个线程可能同时访问和修改同一个智能指针，导致数据竞争和未定义行为。

```
shared_ptr
```
登录后复制
的线程安全性：
```
shared_ptr
```
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的引用计数是原子操作，因此多个线程可以安全地增加或减少引用计数。但是，通过同一个
```
shared_ptr
```
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访问或修改所指向的对象本身，需要额外的同步机制（例如互斥锁）来保证线程安全。
避免
```
unique_ptr
```
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的共享：
```
unique_ptr
```
登录后复制
的设计目的是独占所有权，因此不应该在多个线程之间共享
```
unique_ptr
```
登录后复制
。如果需要在多个线程之间传递所有权，可以使用
```
std::move
```
登录后复制
将
```
unique_ptr
```
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的所有权转移到另一个线程。
使用原子操作： 可以使用
```
std::atomic<std::shared_ptr<T>>
```
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来原子地操作
```
shared_ptr
```
登录后复制
。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;
std::shared_ptr<int> shared_data;

void thread_function() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 保护共享数据
    if (shared_data) {
        std::cout << "Thread: " << *shared_data << std::endl;
    }
}

int main() {
    shared_data = std::make_shared<int>(42);

    std::thread t1(thread_function);
    std::thread t2(thread_function);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

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