C++ 智能指標指南：unique_ptr vs shared_ptr

概述

智能指標是 C++11 引入的重要特性，用於自動管理記憶體生命週期，避免記憶體洩漏和懸空指標問題。

主要差異對比

特性	`std::unique_ptr`	`std::shared_ptr`
所有權	獨佔所有權	共享所有權
複製	不可複製，只能移動	可複製
效能	幾乎無開銷	有參考計數開銷
記憶體使用	只存儲指標	存儲指標 + 控制塊
執行緒安全	不保證	參考計數操作是執行緒安全的
適用場景	單一擁有者	多個擁有者

std::unique_ptr

特性

獨佔所有權：同一時間只能有一個 unique_ptr 擁有物件
移動語意：支援移動但不支援複製
零開銷：沒有額外的記憶體和效能開銷
自動清理：超出作用域時自動釋放記憶體

基本用法

#include <memory>

// 建立 unique_ptr
std::unique_ptr<int> ptr1 = std::make_unique<int>(42);
std::unique_ptr<int> ptr2(new int(42));  // 較不推薦

// 使用
*ptr1 = 100;
std::cout << *ptr1 << std::endl;

// 移動所有權
std::unique_ptr<int> ptr3 = std::move(ptr1);
// ptr1 現在是 nullptr

// 重置
ptr3.reset(new int(200));

// 釋放所有權並取得原始指標
int* raw_ptr = ptr3.release();
delete raw_ptr;  // 需要手動刪除

自定義刪除器

// 自定義刪除器
auto custom_deleter = [](int* p) {
    std::cout << "Custom deleting: " << *p << std::endl;
    delete p;
};

std::unique_ptr<int, decltype(custom_deleter)> ptr(new int(42), custom_deleter);

std::shared_ptr

特性

共享所有權：多個 shared_ptr 可以同時擁有同一物件
參考計數：透過參考計數管理生命週期
執行緒安全：參考計數操作是原子的
控制塊：額外的記憶體存儲參考計數資訊

基本用法

#include <memory>

// 建立 shared_ptr
std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> ptr2(new int(42));  // 較不推薦

// 複製（增加參考計數）
std::shared_ptr<int> ptr3 = ptr1;
std::cout << "參考計數: " << ptr1.use_count() << std::endl;  // 輸出 2

// 重置（減少參考計數）
ptr3.reset();
std::cout << "參考計數: " << ptr1.use_count() << std::endl;  // 輸出 1

// 檢查是否唯一
if (ptr1.unique()) {
    std::cout << "ptr1 是唯一的擁有者" << std::endl;
}

循環引用問題

// 問題：循環引用導致記憶體洩漏
struct Node {
    std::shared_ptr<Node> next;
    std::shared_ptr<Node> prev;  // 循環引用！
};

// 解決方案：使用 weak_ptr 打破循環
struct Node {
    std::shared_ptr<Node> next;
    std::weak_ptr<Node> prev;    // 使用 weak_ptr
};

完整範例程式

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

class Resource {
public:
    Resource(int id) : id_(id) {
        std::cout << "Resource " << id_ << " created\n";
    }
    
    ~Resource() {
        std::cout << "Resource " << id_ << " destroyed\n";
    }
    
    void use() {
        std::cout << "Using resource " << id_ << "\n";
    }
    
private:
    int id_;
};

void unique_ptr_demo() {
    std::cout << "\n=== unique_ptr 示範 ===\n";
    
    // 創建和使用
    auto ptr1 = std::make_unique<Resource>(1);
    ptr1->use();
    
    // 移動所有權
    auto ptr2 = std::move(ptr1);
    // ptr1 現在是 nullptr
    
    if (!ptr1) {
        std::cout << "ptr1 已失效\n";
    }
    
    ptr2->use();
}

void shared_ptr_demo() {
    std::cout << "\n=== shared_ptr 示範 ===\n";
    
    // 創建和共享
    auto ptr1 = std::make_shared<Resource>(2);
    std::cout << "參考計數: " << ptr1.use_count() << "\n";
    
    {
        auto ptr2 = ptr1;  // 複製
        std::cout << "複製後參考計數: " << ptr1.use_count() << "\n";
        ptr2->use();
    }  // ptr2 銷毀
    
    std::cout << "ptr2 銷毀後參考計數: " << ptr1.use_count() << "\n";
    ptr1->use();
}

int main() {
    unique_ptr_demo();
    shared_ptr_demo();
    
    std::cout << "\n程式結束\n";
    return 0;
}

選擇指南

使用 unique_ptr 當：

✅ 資源只需要一個擁有者
✅ 需要最佳效能（零開銷）
✅ 表達獨佔所有權的語意
✅ 替代原始指標和手動 delete
✅ 在容器中存儲獨有物件

使用 shared_ptr 當：

✅ 多個物件需要共享同一資源
✅ 不確定哪個物件最後使用資源
✅ 需要在不同執行緒間共享資源
✅ 實現觀察者模式或回調機制
✅ 需要延遲清理或弱引用

最佳實踐

預設使用 unique_ptr：大多數情況下不需要共享
優先使用 make_unique/make_shared：更安全且效率更高
避免循環引用：使用 weak_ptr 打破循環
不要混用：避免將 unique_ptr 轉換為 shared_ptr
考慮效能：shared_ptr 在多執行緒環境下有額外開銷

效能比較

操作	unique_ptr	shared_ptr
建立	O(1)	O(1)
複製	不支援	O(1) 但有原子操作
移動	O(1)	O(1)
銷毀	O(1)	O(1) 但可能觸發物件銷毀
記憶體使用	8 bytes	16 bytes + 控制塊

常見陷阱

循環引用：shared_ptr 無法自動解決循環引用
效能誤解：shared_ptr 不是萬能的，有額外開銷
執行緒安全：只有參考計數是執行緒安全的，物件本身不是
自引用：避免物件持有指向自己的 shared_ptr

結論

智能指標是現代 C++ 的重要工具，能大幅提升程式碼的安全性和可維護性。選擇合適的智能指標類型對於寫出高品質的 C++ 程式碼至關重要。記住：「預設使用 unique_ptr，只有在真正需要共享時才使用 shared_ptr」。

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