智能指针
智能指针是行为类似原始指针但提供自动内存管理的对象，显著降低了内存泄漏和悬空指针的风险。它们是现代 C++ 编程的基石，体现了 RAII (资源获取即初始化) 原则。本模块将探讨三种主要类型的智能指针 (unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr)，并将它们的内存管理方法与 JavaScript 的垃圾回收进行比较。
unique_ptr 独占所有权
std::unique_ptr 是一种智能指针，它独占其指向的对象。这意味着在任何时候，只有一个 unique_ptr 可以指向给定对象。当 unique_ptr 超出作用域时，它拥有的对象会自动删除。
- 独占所有权： 不能复制，只能移动。
- 轻量级： 开销极小，类似于原始指针。
- 用例： 当你需要动态分配对象的单一所有者时。
shared_ptr 共享所有权
std::shared_ptr 是一种智能指针，允许多个 shared_ptr 实例拥有同一个对象。它使用引用计数来跟踪有多少个 shared_ptr 指向该对象。只有当最后一个拥有它的 shared_ptr 被销毁或重置时，对象才会被删除。
- 共享所有权： 可以复制。
- 引用计数： 根据所有者数量管理对象生命周期。
- 用例： 当代码的多个部分需要共享对象的所有权时。
weak_ptr 弱引用
std::weak_ptr 是一种非拥有智能指针。它持有对由 shared_ptr 管理的对象的「弱」引用，而不增加引用计数。这主要用于打破循环引用，否则会阻止对象被删除。
- 非拥有： 不影响对象的生命周期。
- 用例： 打破
shared_ptr之间的循环依赖。 - 访问： 在访问受管理对象之前，必须使用
lock()将其转换为shared_ptr。如果对象已被删除，lock()返回一个空shared_ptr。
智能指针 vs. 原始指针
| 特性 | 原始指针 | 智能指针 (unique_ptr、shared_ptr) |
|---|---|---|
| 内存管理 | 手动 (new/delete) | 自动 (RAII) |
| 所有权 | 无明确所有权语义 | 明确所有权语义 |
| 安全性 | 容易出现内存泄漏、悬空指针、重复释放 | 显著减少内存错误 |
| 开销 | 极小 | 少量开销 (例如，shared_ptr 的引用计数) |
| 用例 | 低级内存访问，C 风格 API | 现代 C++ 内存管理 |
经验法则： 除非有充分理由（例如，与 C API 交互），否则优先使用智能指针而不是原始指针来管理动态分配的内存。
循环引用问题
当两个或多个 shared_ptr 相互持有引用，形成一个循环时，就会发生循环引用。这会阻止它们的引用计数达到零，从而导致内存泄漏。
智能指针最佳实践
- 默认优先使用
unique_ptr： 如果你需要独占所有权，unique_ptr是最有效和最安全的选择。 - 共享所有权时使用
shared_ptr： 当多个实体需要共享对象的所有权时，shared_ptr是合适的。 - 使用
weak_ptr打破循环： 始终使用weak_ptr来解决shared_ptr之间的循环引用。 - 使用
std::make_unique和std::make_shared： 这些工厂函数优于直接new来创建智能指针。它们提供异常安全，并且可能更高效。 - 避免
get()和原始指针： 仅在绝对必要时（例如，与 C API 交互）才使用get()获取原始指针，并极其小心其生命周期。 - 不要将原始
new/delete与智能指针混用： 一旦对象由智能指针管理，就让智能指针处理其生命周期。
与 JavaScript 垃圾回收的比较
JavaScript 依赖垃圾回收 (GC) 进行自动内存管理。GC 定期识别并回收不再被程序可达的内存。这种方法简化了开发人员的内存管理，因为他们不需要显式地分配或释放内存。
| 特性 | JavaScript (GC) | C++ (智能指针) |
|---|---|---|
| 机制 | 自动，运行时 (标记-清除、引用计数等) | 自动，编译时/运行时 (RAII，shared_ptr 的引用计数) |
| 控制 | 对内存的直接控制较少 | 对象生命周期的精细控制 |
| 确定性 | 不确定性 (GC 在不可预测的时间运行) | 确定性 (智能指针超出作用域时对象被销毁) |
| 性能 | GC 暂停可能引入延迟 | 可预测的性能，开销极小 |
| 循环引用 | 由现代 GC 处理 (例如，标记-清除) | 需要 weak_ptr 打破循环 |
虽然 JavaScript 的 GC 提供了便利，但 C++ 智能指针提供了确定性销毁和精细控制，这对于性能关键应用程序和需要立即释放资源（例如，文件句柄、网络连接）的资源管理至关重要。
练习题：
- 解释
std::unique_ptr实现的独占所有权概念。何时会选择unique_ptr而不是shared_ptr？ std::shared_ptr如何管理对象生命周期？描述一个需要std::weak_ptr来防止内存泄漏的场景。- 比较和对比 C++ 智能指针与 JavaScript 的垃圾回收。讨论每种方法的优缺点。
项目构想：
- 使用
std::shared_ptr实现一个简单的图数据结构（节点和边）。引入一个可能发生循环引用的场景（例如，两个节点之间的双向边）。然后，修改你的实现以使用std::weak_ptr来打破循环引用并确保正确的内存释放。