面试题：介绍 C++ 中三种智能指针的使用场景？

在 C++ 中，智能指针是用于自动管理动态内存的工具，可以避免内存泄漏和悬空指针等问题。

C++11 引入了三种主要的智能指针：std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。

以下是它们的使用场景和特点：

1. `std::unique_ptr`

特点：
- 独占所有权：同一时间只能有一个 unique_ptr 指向某个对象。
- 不能复制，只能移动（通过 std::move）。
- 轻量级，性能开销小。
使用场景：
- 管理独占资源的生命周期（如动态数组、文件句柄等）。
- 需要明确资源所有权的场景。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>

int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(10); // 创建 unique_ptr
    std::cout << *ptr << std::endl; // 输出 10

    // std::unique_ptr<int> ptr2 = ptr; // 错误：不能复制
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr); // 正确：移动语义
    if (!ptr) {
        std::cout << "ptr is now null" << std::endl;
    }
    return 0;
}

2. `std::shared_ptr`

特点：
- 共享所有权：多个 shared_ptr 可以指向同一个对象。
- 使用引用计数管理资源生命周期，当引用计数为 0 时自动释放资源。
- 支持复制和移动。
- 性能开销较大（需要维护引用计数）。
使用场景：
- 多个对象共享同一资源的场景。
- 需要共享所有权的复杂数据结构（如图、树等）。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>

int main() {
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10); // 创建 shared_ptr
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 复制 shared_ptr

    std::cout << *ptr1 << " " << *ptr2 << std::endl; // 输出 10 10
    std::cout << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出 2（引用计数）
    return 0;
}

3. `std::weak_ptr`

特点：
- 弱引用：不增加引用计数，不影响资源的生命周期。
- 需要与 shared_ptr 配合使用。
- 用于解决 shared_ptr 的循环引用问题。
使用场景：
- 解决 shared_ptr 的循环引用问题（如双向链表、观察者模式等）。
- 需要观察资源但不影响其生命周期的场景。

示例：

#include <memory>
#include <iostream>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sharedPtr = std::make_shared<int>(10);
    std::weak_ptr<int> weakPtr = sharedPtr; // 创建 weak_ptr

    if (auto lockedPtr = weakPtr.lock()) { // 尝试提升为 shared_ptr
        std::cout << *lockedPtr << std::endl; // 输出 10
    } else {
        std::cout << "Resource is no longer available" << std::endl;
    }

    sharedPtr.reset(); // 释放资源
    if (weakPtr.expired()) { // 检查资源是否已释放
        std::cout << "Resource is expired" << std::endl;
    }
    return 0;
}

4. 三种智能指针的对比

特性	`std::unique_ptr`	`std::shared_ptr`	`std::weak_ptr`
所有权	独占	共享	无所有权（弱引用）
复制	不支持	支持	支持
移动	支持	支持	支持
引用计数	无	有	无
性能开销	低	高	低
使用场景	独占资源	共享资源	解决循环引用或观察资源