面试题：C++指针使用的专家难度问题

内存管理策略

智能指针
- std::unique_ptr：适用于对象所有权唯一的场景。例如在一个图形渲染项目中，每个Mesh对象（用于存储3D模型数据）可以由一个std::unique_ptr来管理。Mesh对象通常有复杂的内存结构，包含顶点数据、索引数据等。
```
std::unique_ptr<Mesh> mesh = std::make_unique<Mesh>(vertexData, indexData);
```
- std::shared_ptr：当多个对象可能需要共享同一个资源的所有权时使用。比如在一个游戏开发项目中，多个GameObject可能共享同一个Texture资源。
```
std::shared_ptr<Texture> texture = std::make_shared<Texture>("texture.png");
GameObject obj1(texture);
GameObject obj2(texture);
```
- std::weak_ptr：用于解决std::shared_ptr的循环引用问题。例如在一个双向链表结构中，节点A持有节点B的std::shared_ptr，节点B持有节点A的std::weak_ptr，防止循环引用导致内存泄漏。
```
struct Node;
using NodePtr = std::shared_ptr<Node>;
using WeakNodePtr = std::weak_ptr<Node>;

struct Node {
    int data;
    NodePtr next;
    WeakNodePtr prev;
};
```
RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则：利用对象的生命周期来管理资源。智能指针就是RAII的典型应用。当一个包含智能指针成员的对象被销毁时，智能指针会自动释放其所指向的资源，确保内存不会泄漏。例如，在一个数据库连接类中：

class DatabaseConnection {
public:
    DatabaseConnection() {
        // 初始化数据库连接
    }
    ~DatabaseConnection() {
        // 关闭数据库连接
    }
private:
    std::unique_ptr<DatabaseHandle> handle;
};

指针类型的选择

原始指针：
- 使用场景：在函数内部的临时变量，并且生命周期明确且简单。例如在遍历一个数组时，用于获取数组元素的地址。
```
int arr[10];
int* ptr = arr;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    std::cout << *ptr << std::endl;
    ptr++;
}
```
- 注意事项：原始指针需要手动管理内存，容易导致内存泄漏和悬空指针问题，所以在复杂的对象层次结构和多线程环境中应尽量避免使用，除非有非常明确的理由。
智能指针：如上述内存管理策略中所述，根据对象所有权和资源共享情况选择合适的智能指针类型。

线程同步

互斥锁（Mutex）：用于保护共享资源，防止多个线程同时访问。例如在一个多线程的文件写入操作中，多个线程可能需要向同一个文件写入数据，使用互斥锁来确保同一时间只有一个线程可以写入。

std::mutex fileMutex;
void writeToFile(const std::string& data) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(fileMutex);
    std::ofstream file("output.txt", std::ios::app);
    file << data << std::endl;
}

读写锁（Read - Write Lock）：适用于读多写少的场景。在一个多线程的缓存系统中，多个线程可能频繁读取缓存数据，偶尔有线程更新缓存。读操作可以并发执行，而写操作需要独占访问。

std::shared_mutex cacheMutex;
std::unordered_map<int, int> cache;

void readFromCache(int key) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(cacheMutex);
    auto it = cache.find(key);
    if (it != cache.end()) {
        // 处理读取到的数据
    }
}

void writeToCache(int key, int value) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(cacheMutex);
    cache[key] = value;
}

条件变量（Condition Variable）：用于线程间的同步通信。在一个生产者 - 消费者模型中，生产者线程生产数据并放入队列，消费者线程从队列中取出数据。当队列为空时，消费者线程等待，直到生产者线程向队列中放入数据并通知条件变量。

std::mutex queueMutex;
std::condition_variable queueCV;
std::queue<int> dataQueue;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queueMutex);
        dataQueue.push(i);
        lock.unlock();
        queueCV.notify_one();
    }
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(queueMutex);
        queueCV.wait(lock, [] { return!dataQueue.empty(); });
        int data = dataQueue.front();
        dataQueue.pop();
        lock.unlock();
        // 处理消费的数据
    }
}

在大型C++项目中，合理选择内存管理策略、指针类型，并正确使用线程同步机制，能有效提高程序的安全性、性能和可维护性。

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