面试题：C++指针与内存泄漏及智能指针的关系

Question

在C++程序中，由于指针使用不当很容易导致内存泄漏。请举例说明一种常见的因指针操作引发内存泄漏的场景，并解释如何利用智能指针（如std::unique_ptr、std::shared_ptr）来避免这种内存泄漏，分析不同智能指针在内存管理策略上的差异。

Answer 1

常见指针操作引发内存泄漏场景

void memoryLeakExample() {
    int* ptr = new int(5);
    // 这里没有delete ptr，函数结束时ptr指向的内存无法释放，造成内存泄漏
}

在上述代码中，new分配了一块内存，但没有使用delete释放，当函数结束，指针ptr超出作用域，导致其指向的内存无法被回收。

使用智能指针避免内存泄漏

1. 使用std::unique_ptr

#include <memory>

void useUniquePtr() {
    std::unique_ptr<int> ptr(new int(5));
    // 函数结束时，std::unique_ptr的析构函数会自动释放内存
}

std::unique_ptr采用独占式所有权，同一时刻只有一个std::unique_ptr可以指向给定对象。当std::unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也会被销毁。

2. 使用std::shared_ptr

#include <memory>

void useSharedPtr() {
    std::shared_ptr<int> ptr1(new int(5));
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // ptr1和ptr2共享指向的对象
    // 当ptr1和ptr2都超出作用域时，引用计数降为0，对象被释放
}

std::shared_ptr采用引用计数的方式管理对象。多个std::shared_ptr可以指向同一个对象，每当有新的std::shared_ptr指向该对象，引用计数增加；当一个std::shared_ptr被销毁，引用计数减少。当引用计数降为0时，对象被释放。

智能指针内存管理策略差异

1. 所有权
   • std::unique_ptr具有独占所有权，对象只能由一个std::unique_ptr管理。
   • std::shared_ptr允许多个指针共享对象的所有权。
2. 内存释放时机
   • std::unique_ptr在其析构时释放对象内存。
   • std::shared_ptr在引用计数为0时释放对象内存，即最后一个指向对象的std::shared_ptr被销毁时。
3. 性能开销
   • std::unique_ptr几乎没有额外的运行时开销，因为它不需要维护引用计数。
   • std::shared_ptr由于需要管理引用计数，有一定的额外开销，包括引用计数的增减操作以及可能的线程同步开销（如果在多线程环境下使用）。