面试题：C++ 中智能指针的分类及区别

Question

请简要介绍 C++ 中 std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 这三种智能指针的特点、适用场景以及它们之间的主要区别。

Answer 1

std::unique_ptr

• 特点：
  • 独占式拥有资源，同一时间只有一个 std::unique_ptr 可以指向给定对象。
  • 资源所有权转移时高效，移动构造和移动赋值操作代价低。
  • 不能进行拷贝构造和拷贝赋值，只能进行移动操作。
• 适用场景：
  • 当你希望对某个对象拥有绝对控制权，确保对象在其生命周期内只有一个所有者时使用。例如，管理动态分配的数组，std::unique_ptr<int[]>。
  • 函数返回动态分配的对象时，使用 std::unique_ptr 可以高效地转移所有权。
• 与其他智能指针区别：
  • 与 std::shared_ptr 相比，std::unique_ptr 不支持共享所有权，没有引用计数开销，更轻量级。
  • 与 std::weak_ptr 相比，std::unique_ptr 是强引用，直接控制对象生命周期，而 std::weak_ptr 是弱引用，不控制对象生命周期。

std::shared_ptr

• 特点：
  • 共享式拥有资源，通过引用计数来管理对象的生命周期。
  • 支持拷贝构造和拷贝赋值，多个 std::shared_ptr 可以指向同一个对象，引用计数增加；当 std::shared_ptr 析构时，引用计数减少。
  • 当引用计数为 0 时，自动释放所指向的对象。
• 适用场景：
  • 当多个对象需要共享同一个资源的所有权时使用，比如在多个模块之间共享一个数据结构。
  • 适用于无法确定对象生命周期结束的场景，由引用计数自动管理。
• 与其他智能指针区别：
  • 与 std::unique_ptr 相比，std::shared_ptr 支持共享所有权，但存在引用计数开销，性能上略低于 std::unique_ptr。
  • 与 std::weak_ptr 相比，std::shared_ptr 是强引用，会增加对象的引用计数从而延长对象生命周期，而 std::weak_ptr 是弱引用，不会影响对象生命周期。

std::weak_ptr

• 特点：
  • 弱引用，不控制对象的生命周期，不增加对象的引用计数。
  • 用于解决 std::shared_ptr 的循环引用问题。
  • 可以通过 lock() 方法尝试获取一个 std::shared_ptr，如果对象已被释放，则 lock() 返回空指针。
• 适用场景：
  • 当需要观察 std::shared_ptr 所管理对象，但又不想影响其生命周期时使用，例如实现观察者模式。
  • 用于打破 std::shared_ptr 之间的循环引用，避免内存泄漏。
• 与其他智能指针区别：
  • 与 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 相比，std::weak_ptr 不直接控制对象生命周期，是一种辅助性的智能指针，用于解决特定场景下的问题，如循环引用。