第二阶段 · 第 2 课：C++ 智能指针

第二阶段 · 第 2 课：C++ 智能指针
上一课我们学习了 RAII：让资源跟随对象生命周期自动释放。

这一课学习三种核心智能指针：

– std::unique_ptr：独占所有权
– std::shared_ptr：共享所有权
– std::weak_ptr：观察对象，不增加强引用计数

结合你平时的 Qt/C++ 项目，我们重点讨论动态对象、相机状态对象、线程共享数据，以及如何避免内存泄漏和悬空指针。
一、为什么需要智能指针？
传统写法：

void test()
{
Camera* camera = new Camera();

camera->start();

delete camera;
}

这种写法容易出现几个问题：

一个智能指针

独占一个对象的所有权，离开生命周期时自动释放。

#include <memory>

auto camera = std::make_unique<Camera>();

camera->start();

当 camera 离开作用域时，对象会自动销毁，不需要写 delete。
2. 不能直接复制
auto camera1 = std::make_unique();

// auto camera2 = camera1; // 编译错误

因为独占所有权不允许两个 unique_ptr 同时拥有同一个对象。

如果要转移所有权，可以使用 std::move：
auto camera1 = std::make_unique();
auto camera2 = std::move(camera1);

此时：

• camera2 拥有对象。
• camera1 变为空指针。
• 对象不会因为转移而重新创建。

class CameraManager
{
public:
CameraManager()
: m_camera(std::make_unique<Camera>())
{
}

void start()
{
m_camera->start();
}

private:
std::unique_ptr<Camera> m_camera;
};

CameraManager 独占相机对象，管理器销毁时，相机对象也会销毁。

这通常是动态分配对象的优先选择。

三、std::shared_ptr：共享所有权
当多个对象确实需要共同拥有同一个对象时，可以考虑 shared_ptr。
FormCamera

CameraWorker

同一个共享对象

引用计数管理生命周期

auto camera = std::make_shared<Camera>();

auto camera2 = camera;

qDebug() << camera.use_count(); // 通常为 2

这里两个 shared_ptr 共享同一个对象。

当其中一个指针销毁时，对象仍然存活；当最后一个强引用释放时，对象才会销毁。
2. 结合你的相机状态对象
假设有一个状态对象，需要被采集线程和界面逻辑共同持有：
std::shared_ptr cameraState =
std::make_shared();

如果两个模块都使用 shared_ptr 保存它，那么只要至少有一个强引用存在，对象就不会因为其他持有者释放引用而销毁。

不过，这不意味着任何场景都应该使用 shared_ptr。

使用前先问：这些模块真的共同拥有这个对象吗？

如果对象实际上只由一个管理器拥有，其他模块只是借用它，那么 unique_ptr 加非拥有指针通常更清晰。

另外，shared_ptr 的引用计数管理是线程安全的，但它不会自动保证对象内部成员的并发访问安全。

四、std::weak_ptr：观察对象，不延长生命周期
shared_ptr 有一个常见问题：循环引用。

例如 A 持有 B，B 又持有 A：
class B;

class A
{
public:
std::shared_ptr<B> b;
};

class B
{
public:
std::shared_ptr<A> a;
};

如果两个对象互相持有 shared_ptr，即使外部释放了它们，引用计数也可能无法降到零，导致内存泄漏。

解决方法之一是让其中一方使用 weak_ptr。

class B;

class A
{
public:
std::shared_ptr<B> b;
};

class B
{
public:
std::weak_ptr<A> a;
};

weak_ptr 不拥有对象，也不会增加强引用计数。

使用时，先通过 lock() 尝试取得一个临时的 shared_ptr：
if (auto a = b->a.lock()) {
// a 在当前作用域内保证对象存活
a->doSomething();
}

如果对象已经销毁，lock() 会返回空的 shared_ptr，因此可以安全判断。

注意：weak_ptr 主要用于观察由 shared_ptr 管理的对象，不能直接替代任意裸指针。

五、三种智能指针对比
特性unique_ptrshared_ptrweak_ptr
所有权独占共享不拥有
是否延长对象生命周期是是否
是否可以复制指针不可以可以可以
主要用途明确的单一所有者确实存在的共享所有权观察共享对象、打破循环引用
典型风险所有权转移后旧指针为空生命周期不清晰、循环引用对象销毁后 lock() 失败

我的建议是：优先考虑普通对象或 unique_ptr，确实需要共享所有权时再使用 shared_ptr，需要观察共享对象时再使用 weak_ptr。

六、Qt 项目里要特别注意什么？
Qt 本身有一套对象生命周期管理机制：QObject 的父子对象关系。

例如：
auto* worker = new QObject(this);

如果 this 是 QObject，那么父对象销毁时会自动销毁这个子对象。

因此，对于有明确父对象的 Qt 对象，通常不需要再用 shared_ptr 管理同一个对象的生命周期。

尤其不要随意混用：
auto* object = new QObject(parent);

// 不推荐：又把同一个对象交给 shared_ptr 管理
std::shared_ptr ptr(object);

这可能导致父对象和智能指针分别尝试销毁同一个对象，造成重复释放。

对于 QObject，建议遵循以下规则：

• 有父对象的 Qt 子对象：优先使用 Qt 父子生命周期管理。
• 没有父对象、由 C++ 类独占的普通对象：考虑 unique_ptr。
• 多个模块确实需要共同拥有的非 QObject 资源：考虑 shared_ptr。
• Qt 跨线程通信：明确对象所属线程、析构时机和信号槽连接方式，智能指针不能代替线程设计。
  例如，你的相机采集线程不应该仅仅因为使用了 shared_ptr，就假设线程结束后所有相机资源都已安全关闭。线程停止、设备释放和对象析构仍然需要明确的顺序。
  七、结合你的代码：怎么选？
  假设有下面三种需求：

场景 A：管理器独占相机状态对象
std::unique_ptr<CameraState> m_state;

适合对象由管理器独占管理，生命周期清晰的情况。

场景 B：多个模块共同持有一份非 QObject 状态数据
std::shared_ptr<CameraState> state;

只有当多个模块都需要参与所有权管理时才考虑。

场景 C：某模块只想观察对象是否还存在
std::weak_ptr<CameraState> state;

访问前调用 lock()，确认对象仍然存在。

八、课后练习
问题：CameraManager 独占一个相机对象，其他代码不需要共同拥有它。哪种方案最合适？

A. std::shared_ptr，因为共享指针最安全

B. std::unique_ptr，由管理器独占并管理生命周期

C. 所有模块各自 new 一个相机对象

D. 使用 std::weak_ptr 创建并拥有相机对象

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下一课我们学习移动语义与 std::move，理解智能指针如何转移所有权，以及如何避免大型图像数据和容器的不必要复制。