独占智能指针（std::unique_ptr）

枫2025-05-242025-09-05

在 C++ 中，std::unique_ptr 是 C++11 引入的智能指针，用于管理动态分配的资源，提供独占所有权语义。它确保一个资源在任一时刻仅由一个指针拥有，自动释放资源，避免内存泄漏。std::unique_ptr 是 std::auto_ptr 的现代替代品，性能高效且更安全。

1. 什么是 std::unique_ptr？

std::unique_ptr 是一个轻量级的智能指针，设计用于管理单一动态资源的独占所有权。它通过头文件提供，确保资源在指针离开作用域或被销毁时自动释放。std::unique_ptr 禁止拷贝，只能通过移动语义转移所有权。

特性：

独占所有权：资源只能由一个 std::unique_ptr 管理，无法复制。
零开销：与原始指针相比，几乎没有运行时性能损耗。
自定义删除器：支持自定义资源释放逻辑，适用于非内存资源（如文件、网络句柄）。
类型安全：支持移动语义，防止误用导致的内存问题。

2. std::unique_ptr 的初始化

在 C++ 中，std::unique_ptr 的初始化有多种方式，推荐使用安全且高效的方法。以下是 std::unique_ptr 的常见初始化方式及注意事项：

2.1 使用 std::make_unique 初始化（推荐）

方式：通过 std::make_unique（C++14 引入）创建 std::unique_ptr，这是首选方法。
优点：
- 更高效：一次性分配对象内存。
- 更安全：避免直接使用 new 可能导致的异常问题。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>

struct MyClass {
    int value;
    MyClass(int v) : value(v) {}
    ~MyClass() { std::cout << "Destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass> ptr = std::make_unique<MyClass>(42);
    std::cout << ptr->value << "\n"; // 输出 42
    return 0; // 自动释放
}

适用场景：大多数情况下创建 std::unique_ptr 的首选方式。

2.2 通过构造函数和 new 初始化

方式：直接将 new 分配的指针传入 std::unique_ptr 构造函数。
缺点：
- 性能略低：new 和 unique_ptr 构造是分开的。
- 不安全：如果在构造 unique_ptr 前抛出异常，可能导致内存泄漏。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>

struct MyClass {
    ~MyClass() { std::cout << "Destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass());
    return 0; // 自动释放
}

注意：尽量避免此方式，优先使用 std::make_unique。

2.3 通过移动语义初始化

方式：通过 std::move 从另一个 std::unique_ptr 转移所有权，源指针变为空。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>

struct MyClass {
    ~MyClass() { std::cout << "Destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_unique<MyClass>();
    std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1); // 转移所有权
    std::cout << (ptr1 == nullptr) << "\n"; // 输出 1（ptr1 已为空）
    return 0; // ptr2 销毁时释放资源
}

注意：转移后，源 unique_ptr 变为空，无法访问原资源。

2.4 空 std::unique_ptr 初始化

方式：创建空的 std::unique_ptr，不管理任何资源。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>

int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr; // 空 unique_ptr
    std::cout << (ptr == nullptr) << "\n"; // 输出 1
    ptr = std::make_unique<int>(10); // 重新赋值
    std::cout << *ptr << "\n"; // 输出 10
    return 0;
}

3. 指定删除器

std::unique_ptr 支持指定自定义删除器（deleter），以在资源释放时执行特定清理操作。自定义删除器在管理非标准内存资源（如文件句柄、网络连接等）或需要特殊清理逻辑时非常有用。

3.1 使用函数指针作为删除器

#include <memory>
#include <iostream>

struct MyClass {
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};

// 自定义删除器函数
void customDeleter(MyClass* ptr) {
    std::cout << "Custom deleter called\n";
    delete ptr;
}

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass, void(*)(MyClass*)> ptr(new MyClass(), customDeleter);
    return 0; // 资源释放时调用 customDeleter
}

输出：

1 2	MyClass destroyed Custom deleter called

说明：删除器 customDeleter 在 unique_ptr 销毁时被调用，执行自定义清理逻辑。

3.2 使用 Lambda 表达式作为删除器

#include <memory>
#include <iostream>

struct MyClass {
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass, std::function<void(MyClass*)>> ptr(
        new MyClass(), [](MyClass* ptr) {
            std::cout << "Lambda deleter called\n";
            delete ptr;
        });
    return 0;
}

输出：

1 2	MyClass destroyed Lambda deleter called

优点：Lambda 表达式更灵活，适合临时定义删除逻辑。

3.3 使用函数对象（Functor）作为删除器

#include <memory>
#include <iostream>

struct MyClass {
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed\n"; }
};

// 函数对象作为删除器
struct CustomDeleter {
    void operator()(MyClass* ptr) const {
        std::cout << "Functor deleter called\n";
        delete ptr;
    }
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass, CustomDeleter> ptr(new MyClass(), CustomDeleter());
    return 0;
}

输出：

1 2	MyClass destroyed Functor deleter called

说明：函数对象适合需要重用或复杂逻辑的场景。

4. 核心特性与使用场景

4.1 独占所有权

std::unique_ptr 确保资源仅由一个指针管理，禁止拷贝，防止多指针管理同一资源导致的双重释放。
场景：函数返回值、容器存储动态对象。

4.2 数组支持

std::unique_ptr<T[]> 支持管理动态数组，自动调用 delete[ ] 。

#include <memory>
#include <iostream>

int main() {
    std::unique_ptr<int[]> arr = std::make_unique<int[]>(5);
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        arr[i] = i + 1;
    }
    std::cout << arr[2] << "\n"; // 输出 3
    return 0; // 自动释放数组
}