面试题：C++智能指针的原理与应用

智能指针原理

std::unique_ptr：
- 原理：std::unique_ptr 采用独占式所有权模型。它拥有指向对象的唯一指针，当 std::unique_ptr 被销毁时（例如离开其作用域），它所指向的对象也会被自动销毁。这是通过 delete 操作符来实现的，std::unique_ptr 的析构函数会调用 delete 来释放其管理的资源。
- 特点：
  - 独占所有权，同一时间只有一个 std::unique_ptr 可以指向特定对象。
  - 不能进行拷贝构造和拷贝赋值操作，但可以进行移动构造和移动赋值操作，这使得它在性能上较为高效，因为移动操作通常是廉价的。
- 适用场景：适用于资源管理中，某个对象只应由一个所有者负责的情况，例如在函数内部创建一个对象并返回，std::unique_ptr 可以安全地管理该对象的生命周期，而无需手动 delete。
std::shared_ptr：
- 原理：std::shared_ptr 采用引用计数机制。多个 std::shared_ptr 可以指向同一个对象，每个 std::shared_ptr 内部维护一个指向对象的指针以及一个引用计数。每当创建一个新的 std::shared_ptr 指向该对象时，引用计数加 1；当一个 std::shared_ptr 被销毁时，引用计数减 1。当引用计数变为 0 时，对象会被自动释放。
- 特点：
  - 共享所有权，允许多个 std::shared_ptr 同时指向同一个对象，方便在不同的代码模块间共享资源。
  - 支持拷贝构造和拷贝赋值操作，内部的引用计数机制会自动更新。
  - 由于引用计数的维护，会带来一定的性能开销，尤其是在多线程环境下，需要额外的同步操作来保证引用计数的正确更新。
- 适用场景：适用于需要在多个地方共享资源的场景，比如在不同的类实例之间传递一个对象，并且这些实例都可能在不同的时间点结束对该对象的使用，std::shared_ptr 可以确保对象在最后一个使用者结束使用后被正确释放。
std::weak_ptr：
- 原理：std::weak_ptr 是为了配合 std::shared_ptr 解决循环引用问题而引入的。它指向由 std::shared_ptr 管理的对象，但并不增加对象的引用计数。std::weak_ptr 可以从一个 std::shared_ptr 创建，通过 lock() 方法可以尝试获取一个有效的 std::shared_ptr，如果对象已被释放（引用计数为 0），lock() 方法会返回一个空的 std::shared_ptr。
- 特点：
  - 不拥有对象的所有权，不会影响对象的引用计数。
  - 主要用于打破 std::shared_ptr 之间的循环引用，避免内存泄漏。
  - 可以用来检查 std::shared_ptr 所管理的对象是否仍然存在。
- 适用场景：当存在可能的循环引用时，使用 std::weak_ptr 来打破循环。例如在双向链表中，节点之间可能存在相互引用，使用 std::weak_ptr 可以避免循环引用导致的内存泄漏。

在复杂类继承体系和资源管理场景下智能指针的选择与使用

选择智能指针：
- 如果一个对象只有一个所有者，并且不需要在不同地方共享，优先使用 std::unique_ptr，这样可以获得更好的性能和更清晰的所有权关系。
- 当需要在多个地方共享资源，且资源的生命周期需要由多个使用者共同决定时，使用 std::shared_ptr。但要注意循环引用问题，如有可能出现循环引用，配合 std::weak_ptr 使用。
- 在可能存在循环引用的类继承体系中，例如基类和派生类之间存在相互引用，或者不同派生类之间存在相互引用时，合理使用 std::weak_ptr 来打破循环。
示例代码：

#include <iostream>
#include <memory>

class Base {
public:
    virtual ~Base() {
        std::cout << "Base destroyed" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        std::cout << "Derived destroyed" << std::endl;
    }
};

// 演示 std::unique_ptr 的使用
std::unique_ptr<Base> createUnique() {
    return std::make_unique<Derived>();
}

// 演示 std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 的使用
class Parent;
class Child {
public:
    std::weak_ptr<Parent> parent;
    ~Child() {
        std::cout << "Child destroyed" << std::endl;
    }
};

class Parent {
public:
    std::shared_ptr<Child> child;
    ~Parent() {
        std::cout << "Parent destroyed" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 使用 std::unique_ptr
    {
        auto up = createUnique();
        // up 离开作用域时，Derived 对象会自动销毁
    }

    // 使用 std::shared_ptr 和 std::weak_ptr
    {
        auto p = std::make_shared<Parent>();
        auto c = std::make_shared<Child>();
        p->child = c;
        c->parent = p;

        // 检查 child 指向的对象是否存在
        auto locked = c->parent.lock();
        if (locked) {
            std::cout << "Parent still exists" << std::endl;
        } else {
            std::cout << "Parent has been destroyed" << std::endl;
        }
    }
    // p 和 c 离开作用域时，Parent 和 Child 对象会自动销毁，由于使用了 std::weak_ptr 打破循环，不会造成内存泄漏
    return 0;
}

在上述代码中：

createUnique 函数演示了 std::unique_ptr 的使用，函数返回一个 std::unique_ptr<Base>，指向一个 Derived 对象，当 up 离开作用域时，Derived 对象会自动销毁。
Parent 和 Child 类之间存在潜在的循环引用，通过在 Child 类中使用 std::weak_ptr 指向 Parent 来打破循环。当 p 和 c 离开作用域时，Parent 和 Child 对象都会被正确销毁，避免了内存泄漏。std::weak_ptr 的 lock 方法可以检查所指向的对象是否仍然存在。

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在复杂类继承体系和资源管理场景下智能指针的选择与使用