面试题：C++ 中智能指针在内存管理中的应用

Question

请简述C++中智能指针（如std::unique_ptr、std::shared_ptr、std::weak_ptr）的特点及它们是如何解决内存管理问题的。并且举例说明在实际项目中，如何使用std::shared_ptr和std::weak_ptr来避免循环引用导致的内存泄漏。

Answer 1

智能指针特点及解决内存管理问题方式

1. std::unique_ptr
   • 特点：
     • 独占式拥有对象的所有权，同一时间只能有一个std::unique_ptr指向一个对象。
     • 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。
     • 析构时会自动释放所指向的对象。
   • 解决内存管理问题方式：通过在析构函数中释放所指向的对象，确保对象在生命周期结束时被正确释放，避免手动释放内存可能导致的内存泄漏。例如，在函数内部创建一个std::unique_ptr，当函数结束时，std::unique_ptr自动析构，释放其所指向的内存。
2. std::shared_ptr
   • 特点：
     • 共享式拥有对象的所有权，多个std::shared_ptr可以指向同一个对象。
     • 使用引用计数机制，记录指向同一对象的std::shared_ptr的数量。
     • 支持拷贝构造和拷贝赋值。
   • 解决内存管理问题方式：当引用计数变为0时，即没有std::shared_ptr指向该对象时，自动释放所指向的对象。这使得内存管理更加自动化，减少了手动管理内存的复杂性和出错几率。例如，在不同函数或对象之间传递std::shared_ptr，不用担心对象何时被释放，只要有std::shared_ptr存在，对象就不会被释放。
3. std::weak_ptr
   • 特点：
     • 弱引用指针，不增加对象的引用计数，它指向由std::shared_ptr管理的对象。
     • 可以通过lock()函数尝试获取指向对象的std::shared_ptr，如果对象已经被释放，则lock()返回一个空的std::shared_ptr。
   • 解决内存管理问题方式：用于解决std::shared_ptr的循环引用问题，它不参与引用计数，因此不会导致对象无法释放。同时，通过lock()函数可以安全地访问对象，避免悬空指针问题。

使用std::shared_ptr和std::weak_ptr避免循环引用导致的内存泄漏示例

#include <iostream>
#include <memory>

class B;

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

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

void test() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
}

int main() {
    test();
    // 此时a和b所指向的对象会被正确释放，不会出现内存泄漏
    return 0;
}

在上述代码中，A和B类中分别使用std::weak_ptr来指向对方，而不是std::shared_ptr。这样，当test函数结束时，a和b的引用计数都变为0，它们所指向的A和B对象会被正确释放，避免了因循环引用导致的内存泄漏。如果A和B类中使用std::shared_ptr相互指向，会导致循环引用，对象无法被释放。