面试题：C++ 智能指针基础与内存安全性场景分析

Question

在C++中，智能指针是提升内存管理安全性的重要工具。请阐述std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr的主要区别，并举例说明在一个简单的类继承体系中，如何正确使用std::unique_ptr来管理派生类对象，以确保内存安全，避免悬空指针和内存泄漏。

Answer 1

std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 的主要区别

1. 所有权：
   • std::unique_ptr：拥有对对象的唯一所有权。一旦 std::unique_ptr 被销毁，它所指向的对象也会被销毁。它不能被复制，但可以转移所有权。
   • std::shared_ptr：允许多个指针共享对一个对象的所有权。通过引用计数机制来管理对象的生命周期，当引用计数为 0 时，对象被自动销毁。
   • std::weak_ptr：不拥有对象的所有权，它是对 std::shared_ptr 所管理对象的一种弱引用。它不会增加对象的引用计数，主要用于解决 std::shared_ptr 中的循环引用问题，避免内存泄漏。
2. 性能：
   • std::unique_ptr：由于其简单的所有权模型，通常具有最小的运行时开销，性能较好。
   • std::shared_ptr：由于需要维护引用计数，开销相对较大，尤其是在多线程环境下，引用计数的更新需要额外的同步操作。
   • std::weak_ptr：开销主要在于创建和销毁时与 std::shared_ptr 的交互，本身不影响对象的生命周期管理。
3. 应用场景：
   • std::unique_ptr：适用于对象只应由一个所有者管理的场景，例如函数内部局部对象的管理，或资源的独占式管理。
   • std::shared_ptr：适用于对象需要被多个部分共享的场景，如在多个模块间传递对象的所有权。
   • std::weak_ptr：通常与 std::shared_ptr 一起使用，用于打破循环引用，或在对象可能被释放的情况下安全地访问对象。

使用 std::unique_ptr 在类继承体系中管理派生类对象

#include <iostream>
#include <memory>

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

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

void testUniquePtr() {
    std::unique_ptr<Base> ptr = std::make_unique<Derived>();
    // 这里可以通过ptr访问Base类和Derived类的成员函数
    // 当ptr离开作用域时，Derived对象会被自动销毁
}

int main() {
    testUniquePtr();
    return 0;
}

在上述代码中：

1. 创建对象：使用 std::make_unique<Derived>() 创建一个 Derived 对象，并将其所有权转移给 std::unique_ptr<Base> 类型的 ptr。std::make_unique 是 C++14 引入的函数，用于更安全和高效地创建 std::unique_ptr。
2. 内存管理：当 ptr 离开其作用域（testUniquePtr 函数结束）时，Derived 对象会被自动销毁，从而确保了内存安全，避免了悬空指针和内存泄漏。由于 Base 类有虚析构函数，Derived 类的析构函数会被正确调用。