一、核心概念深入解析

news2025/6/5 22:46:14

一、核心概念深入解析

1. `shared_ptr` 的线程安全性澄清

引用计数是原子操作：shared_ptr 的引用计数（use_count）在多线程中递增 / 递减是安全的（原子操作），但对象本身的读写需额外同步（如 std::mutex）。
误区纠正：线程安全仅针对计数管理，若多个线程同时修改对象数据，仍需加锁避免数据竞争。

2. `shared_ptr` 构造方式对比

方式	示例	安全性	性能	推荐度
直接构造（显式）	`shared_ptr<int> p(new int(42));`	需避免裸指针重复使用	中等	★★☆☆☆
工厂函数 `make_shared`	`auto p = make_shared<int>(42);`	安全（避免裸指针）	优（单次分配）	★★★★★
拷贝 / 移动构造	`shared_ptr<int> p2 = p1;`	安全	优	★★★★☆

make_shared 优势：
- 减少内存分配次数（对象和控制块一次分配）。
- 避免表达式求值顺序导致的潜在泄漏（如 shared_ptr(populate(), commit()) 中若 populate 抛异常，commit 可能未调用）。

3. 删除器（Deleter）的高级用法

类型：可以是函数指针、lambda、函数对象。

示例：lambda 删除器

cpp

shared_ptr<FILE> file(fopen("test.txt", "w"), 
                     [](FILE* fp) { fclose(fp); cout << "File closed\n"; });

数组管理：

cpp

shared_ptr<int> arr(new int[5], [](int* p) { delete[] p; }); // 自定义删除器处理数组

4. 循环引用的本质与解决

场景：双向链表节点互相持有 shared_ptr

cpp

class Node {
public:
    shared_ptr<Node> next;
    shared_ptr<Node> prev;
    ~Node() { cout << "Node destroyed\n"; }
};

int main() {
    auto a = make_shared<Node>();
    auto b = make_shared<Node>();
    a->next = b; // a强引用b（b计数+1）
    b->prev = a; // b强引用a（a计数+1）
    // 离开作用域时，a和b计数均为1（循环引用），无法释放 → 内存泄漏
}

解决方案：用 weak_ptr 打破强引用

cpp

class Node {
public:
    shared_ptr<Node> next;
    weak_ptr<Node> prev; // 弱引用，不影响计数
    ~Node() { cout << "Node destroyed\n"; }
};
// 此时，a和b计数均为1，离开作用域时正常释放

5. `weak_ptr` 的核心特性

不影响引用计数：weak_ptr 构造 / 赋值时，shared_ptr 计数不变。

访问数据的唯一方式：

cpp

weak_ptr<int> wp(sp); // wp观察sp
if (auto tmp = wp.lock()) { // 转换为shared_ptr，非空时访问
    cout << *tmp << endl;
}

用途：
- 避免循环引用。
- 实现 “观察者模式”（观察共享资源是否存在）。
- 缓存（如缓存对象，存在时直接使用，不存在时重建）。

二、面试高频问题与回答模板

问题 1：shared_ptr 循环引用是什么？如何解决？

回答：
循环引用指两个或多个 shared_ptr 互相强引用，导致引用计数无法归零，内存无法释放。
示例：双向链表节点互相持有 shared_ptr，形成环。
解决方案：
将其中一个引用改为 weak_ptr（弱引用），weak_ptr 不增加计数，打破循环。

cpp

class Node {
public:
    shared_ptr<Node> next;
    weak_ptr<Node> prev; // 弱引用
};

问题 2：weak_ptr 有什么作用？如何访问其指向的数据？

回答：
weak_ptr 是 shared_ptr 的辅助类，用于：

解决循环引用（弱引用不影响计数）。
观察 shared_ptr 是否存在（通过 lock() 检查）。
访问数据步骤：

cpp

weak_ptr<int> wp(sp); // 关联shared_ptr
if (auto locked_sp = wp.lock()) { // 转换为shared_ptr，非空时有效
    cout << *locked_sp << endl; // 通过shared_ptr访问
}

问题 3：shared_ptr 和 unique_ptr 的区别？

回答：

特性	`shared_ptr`	`unique_ptr`
所有权	共享（多个指针指向同一资源）	独占（唯一所有权）
引用计数	有	无
拷贝 / 赋值	允许（计数变化）	禁止（仅可移动）
适合场景	多指针共享资源	独占资源（如函数返回值）
性能	稍低（计数开销）	更高

问题 4：为什么推荐使用 make_shared 而非直接 new？

回答：

性能优化：make_shared 一次分配内存（对象 + 控制块），减少 new 和 delete 次数。
异常安全：避免表达式求值顺序导致的资源泄漏（如 shared_ptr(populate(), commit()) 中若 populate 抛异常，commit 可能未调用，而 make_shared 无此问题）。
代码简洁：自动推导类型，无需显式指定模板参数（auto 配合使用）。

问题 5：shared_ptr 如何管理非堆内存资源（如文件句柄）？

回答：
通过自定义删除器指定释放逻辑，而非默认的 delete。
示例：

cpp

void fclose_deleter(FILE* fp) { fclose(fp); }
shared_ptr<FILE> file(fopen("test.txt", "r"), fclose_deleter);
// 或用lambda：
// shared_ptr<FILE> file(fopen("test.txt", "r"), [](FILE* fp){ fclose(fp); });