C++ 智能指针与容器

概述[编辑 | 编辑源代码]

C++智能指针是一种自动管理动态内存的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）对象，而容器是存储和管理对象集合的数据结构。将智能指针与标准库容器结合使用，可以安全高效地处理动态分配对象的生命周期问题，避免内存泄漏和悬空指针等问题。

智能指针主要包括：

std::unique_ptr（独占所有权）
std::shared_ptr（共享所有权）
std::weak_ptr（避免循环引用）

智能指针与容器的结合[编辑 | 编辑源代码]

为什么需要结合使用？[编辑 | 编辑源代码]

容器（如std::vector、std::map）通常存储原始指针时需手动释放内存，而智能指针能自动释放资源。结合使用可：

简化内存管理
避免容器元素的内存泄漏
支持异常安全

基本用法示例[编辑 | 编辑源代码]

以下示例展示std::vector与std::unique_ptr的结合：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

class MyClass {
public:
    MyClass(int val) : value(val) {
        std::cout << "Constructed: " << value << std::endl;
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "Destroyed: " << value << std::endl;
    }
    void print() const { std::cout << "Value: " << value << std::endl; }
private:
    int value;
};

int main() {
    std::vector<std::unique_ptr<MyClass>> vec;
    
    // 添加元素
    vec.push_back(std::make_unique<MyClass>(10));
    vec.push_back(std::make_unique<MyClass>(20));
    
    // 访问元素
    for (const auto& ptr : vec) {
        ptr->print();
    }
    
    // 自动释放内存
    return 0;
}

输出：

Constructed: 10
Constructed: 20
Value: 10
Value: 20
Destroyed: 20
Destroyed: 10

所有权转移问题[编辑 | 编辑源代码]

std::unique_ptr不可复制，但可通过移动语义转移所有权：

std::vector<std::unique_ptr<MyClass>> vec1;
auto ptr = std::make_unique<MyClass>(30);
vec1.push_back(std::move(ptr));  // 所有权转移

高级应用场景[编辑 | 编辑源代码]

共享所有权的容器[编辑 | 编辑源代码]

当需要多个容器共享对象时，使用std::shared_ptr：

std::vector<std::shared_ptr<MyClass>> sharedVec1;
std::vector<std::shared_ptr<MyClass>> sharedVec2;
auto sharedObj = std::make_shared<MyClass>(99);

sharedVec1.push_back(sharedObj);
sharedVec2.push_back(sharedObj);  // 共享所有权

避免循环引用[编辑 | 编辑源代码]

使用std::weak_ptr打破循环引用：

struct Node {
    std::shared_ptr<Node> next;
    std::weak_ptr<Node> prev;  // 避免循环引用
};

性能考量[编辑 | 编辑源代码]

内存开销对比[编辑 | 编辑源代码]

智能指针内存开销
类型	额外开销
`std::unique_ptr`	无（仅存储指针）
`std::shared_ptr`	控制块（引用计数等）
`std::weak_ptr`	同`shared_ptr`

容器选择建议[编辑 | 编辑源代码]

优先使用std::unique_ptr（性能最优）
需要共享时再用std::shared_ptr
关联容器（如std::map）的键避免用智能指针

实际案例[编辑 | 编辑源代码]

场景：对象池管理[编辑 | 编辑源代码]

使用std::vector<std::unique_ptr<Texture>>管理游戏资源：

class TexturePool {
private:
    std::vector<std::unique_ptr<Texture>> textures;
public:
    void load(const std::string& path) {
        textures.push_back(std::make_unique<Texture>(path));
    }
    // 其他管理接口...
};

场景：多线程安全共享[编辑 | 编辑源代码]

线程安全的共享数据容器：

std::vector<std::shared_ptr<const Data>> getSnapshot() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(dataMutex);
    return currentData;  // 返回共享数据的副本
}

常见问题[编辑 | 编辑源代码]

Q1: 能否在容器中存储`auto_ptr`？[编辑 | 编辑源代码]

页面模块:Message box/ambox.css没有内容。

Q2: 如何排序智能指针容器？[编辑 | 编辑源代码]

提供自定义比较器：

std::sort(vec.begin(), vec.end(), 
    [](const std::unique_ptr<MyClass>& a, const std::unique_ptr<MyClass>& b) {
        return a->value < b->value;
    });

总结[编辑 | 编辑源代码]

优先选择std::unique_ptr + 容器组合
共享所有权时使用std::shared_ptr
注意容器的操作可能影响智能指针的生命周期