C++面试周刊(7):unique_ptr 与 shared_ptr 的实现原理

在 C++ 中，手动管理资源（new/delete）容易出错，导致：

•

内存泄漏

•

重复释放

•

异常安全问题

为了解决这些问题，C++11 引入了 智能指针：

•

std::unique_ptr：独占所有权

•

std::shared_ptr：共享所有权，通过引用计数管理生命周期

我们从原理、性能和应用场景三个维度来解析。

一、技术背景与设计初衷

1

unique_ptr

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目标：独占资源，不可复制，只能移动（move）

•

使用场景：资源唯一所有权，RAII 风格自动释放

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核心问题：

•

避免内存泄漏

•

支持移动语义

1

shared_ptr

•

目标：多方共享资源，引用计数控制生命周期

•

使用场景：多线程共享对象、缓存管理

•

核心问题：

•

自动管理生命周期

•

处理多线程环境下的引用计数（atomic）

•

避免循环引用问题

二、unique_ptr 实现原理

1. 内部结构

template<typename T, typename Deleter = std::default_delete<T>>
class unique_ptr {
    T* ptr; // 原始指针
    Deleter deleter; // 删除器
public:
    explicit unique_ptr(T* p = nullptr) noexcept : ptr(p) {}
    ~unique_ptr() { if(ptr) deleter(ptr); }

    // 不可拷贝
    unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
    unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;

    // 可移动
    unique_ptr(unique_ptr&& u) noexcept : ptr(u.ptr) { u.ptr = nullptr; }
    unique_ptr& operator=(unique_ptr&& u) noexcept {
        if(this != &u) {
            reset(u.ptr);
            u.ptr = nullptr;
        }
        return *this;
    }

    T* get() const noexcept { return ptr; }
    T& operator*() const noexcept { return *ptr; }
    T* operator->() const noexcept { return ptr; }

    void reset(T* p = nullptr) {
        if(ptr) deleter(ptr);
        ptr = p;
    }
};

2. 核心原理

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独占所有权：唯一指针拥有资源，拷贝被禁用

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移动语义：通过移动实现资源转移

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RAII：生命周期结束自动释放

3. 性能特点

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内存占用小（只存储原始指针 + 删除器）

•

无额外引用计数开销

•

编译期开销低

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异常安全，避免泄漏

三、shared_ptr 实现原理

1. 内部结构

shared_ptr 核心在于 引用计数 和 控制块（control block）。

shared_ptr<T>
├── T* ptr           // 实际对象指针
└── ControlBlock* cb // 引用计数和删除器

控制块结构示例：

struct ControlBlock {
    std::atomic<size_t> use_count;   // 强引用计数
    std::atomic<size_t> weak_count;  // 弱引用计数
    Deleter deleter;                 // 删除器
    T* ptr;                          // 指向对象
};

2. 核心逻辑

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构造 shared_ptr：初始化 use_count = 1

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拷贝 shared_ptr：use_count++（原子操作）

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析构 shared_ptr：use_count--，若为 0 调用删除器销毁对象

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weak_ptr：不增加 use_count，仅增加 weak_count，用于解决循环引用

3. 关键实现细节

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线程安全：std::atomic 保证引用计数在多线程下正确

•

控制块分离：

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对象指针和控制块分离，可以支持 make_shared 内联分配（减少内存碎片）

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循环引用问题：

•

两个 shared_ptr 互相引用会造成引用计数不为 0

•

需要 weak_ptr 解决

四、性能分析

五、在分布式系统中的应用

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unique_ptr

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Ceph 的对象缓存（ObjectCacher）中，每个缓存条目独占内存块

•

TiDB Executor 局部临时对象管理

1

shared_ptr

•

Ceph 多线程 I/O 回调对象共享

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TiDB RPC/异步任务的共享上下文（Context）

核心思想：能用 unique_ptr 就用 unique_ptr，能静态分析生命周期，避免 atomic 开销；需要多方共享才用 shared_ptr，并结合 weak_ptr 避免循环引用。

六、总结

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unique_ptr

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独占资源，低开销，RAII 自动释放

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通过 移动语义实现所有权转移

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shared_ptr

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共享资源，通过 引用计数 + 控制块管理生命周期

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支持多线程，但有性能开销

•

循环引用需要 weak_ptr 解决

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在分布式系统

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hotspot 对象尽量用 unique_ptr

•

异步回调、共享上下文用 shared_ptr

一句话总结： “能唯一所有权就用 unique_ptr，必须共享就用 shared_ptr，控制引用计数就是控制你的性能。”