面试题：C++智能指针的类型及应用场景

Question

请简述C++中std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr三种智能指针的特点，并举例说明它们各自适合的应用场景。

Answer 1

std::unique_ptr

• 特点：
  • 独占式智能指针，同一时间只有一个std::unique_ptr能指向一个对象。
  • 当std::unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也会被自动销毁。
  • 不能进行拷贝构造和拷贝赋值，但可以进行移动构造和移动赋值。
• 应用场景：
  • 资源管理，如文件句柄、网络连接等，只需要一个对象管理资源。
  • 示例：

#include <iostream>
#include <memory>

class Resource {
public:
    Resource() { std::cout << "Resource created" << std::endl; }
    ~Resource() { std::cout << "Resource destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<Resource> res1 = std::make_unique<Resource>();
    // std::unique_ptr<Resource> res2 = res1;  // 错误，不能拷贝
    std::unique_ptr<Resource> res2 = std::move(res1);  // 移动所有权
    return 0;
}

std::shared_ptr

• 特点：
  • 共享式智能指针，允许多个std::shared_ptr指向同一个对象。
  • 通过引用计数来管理对象的生命周期，当引用计数为0时，对象自动销毁。
  • 支持拷贝构造和拷贝赋值。
• 应用场景：
  • 多个对象需要共享资源，如共享数据缓存。
  • 示例：

#include <iostream>
#include <memory>

class Resource {
public:
    Resource() { std::cout << "Resource created" << std::endl; }
    ~Resource() { std::cout << "Resource destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Resource> res1 = std::make_shared<Resource>();
    std::shared_ptr<Resource> res2 = res1;  // 拷贝，引用计数增加
    std::cout << "res1 use count: " << res1.use_count() << std::endl;
    std::cout << "res2 use count: " << res2.use_count() << std::endl;
    return 0;
}

std::weak_ptr

• 特点：
  • 弱引用智能指针，指向由std::shared_ptr管理的对象，但不增加对象的引用计数。
  • 可以用来解决std::shared_ptr的循环引用问题。
  • 它需要通过lock()方法来获取一个有效的std::shared_ptr。
• 应用场景：
  • 解决循环引用问题，如双向链表。
  • 示例：

#include <iostream>
#include <memory>

class B;

class A {
public:
    std::weak_ptr<B> weak_b;
    ~A() { std::cout << "A destroyed" << std::endl; }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> shared_a;
    ~B() { std::cout << "B destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->weak_b = b;
    b->shared_a = a;
    return 0;
}

在这个例子中，如果B中使用std::weak_ptr指向A，就能避免循环引用导致的内存泄漏。