面试题：请介绍 C++ 中 unique_ptr 的原理？

std::unique_ptr 是 C++11 引入的一种智能指针，用于管理动态分配的对象生命周期。

它的核心特点是独占所有权（exclusive ownership），即同一时间只能有一个 std::unique_ptr 指向某个对象。

理解 std::unique_ptr 的原理需要从它的设计目标、内部实现和使用场景入手。

设计目标

独占所有权：
- std::unique_ptr 独占对象的所有权，确保同一时间只有一个 std::unique_ptr 指向某个对象。
- 这种特性避免了多个指针同时管理同一个对象带来的复杂性。
自动资源管理：
- std::unique_ptr 在析构时会自动释放所管理的对象，避免内存泄漏。
轻量高效：
- std::unique_ptr 的实现非常简单，几乎没有额外的开销（如引用计数），因此性能接近裸指针。
支持自定义删除器：
- std::unique_ptr 允许指定自定义删除器，用于在释放对象时执行特定的清理操作。

内部原理

1. 独占所有权

std::unique_ptr 通过禁止拷贝构造函数和拷贝赋值运算符来实现独占所有权。
它支持移动语义（move semantics），可以通过 std::move 转移所有权。

2. 内部结构

std::unique_ptr 内部通常包含一个指向对象的指针和一个删除器（deleter）。
删除器是一个可调用对象（如函数指针或 lambda 表达式），用于在释放对象时执行特定的清理操作。

3. 资源释放

当 std::unique_ptr 被销毁或重置时，它会调用删除器释放所管理的对象。
默认情况下，删除器使用 delete 或 delete[]（对于数组版本）来释放对象。

4. 移动语义

std::unique_ptr 支持移动语义，可以通过 std::move 将所有权从一个 std::unique_ptr 转移到另一个。
移动后，原 std::unique_ptr 变为空指针（nullptr）。

使用示例

1. 基本用法

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructed!" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed!" << std::endl; }
    void doSomething() { std::cout << "Doing something!" << std::endl; }
};

int main() {
    // 创建一个 unique_ptr
    std::unique_ptr<MyClass> ptr = std::make_unique<MyClass>();

    // 访问对象
    ptr->doSomething();

    // 转移所有权
    std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr);
    if (!ptr) {
        std::cout << "ptr is now nullptr." << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出：

MyClass constructed!
Doing something!
ptr is now nullptr.
MyClass destroyed!

2. 自定义删除器

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructed!" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed!" << std::endl; }
};

int main() {
    // 使用自定义删除器
    auto deleter = [](MyClass* p) {
        std::cout << "Custom deleter called!" << std::endl;
        delete p;
    };

    std::unique_ptr<MyClass, decltype(deleter)> ptr(new MyClass(), deleter);

    return 0;
}

输出：

MyClass constructed!
Custom deleter called!
MyClass destroyed!

优点

独占所有权：
- 避免多个指针管理同一个对象带来的复杂性。
自动资源管理：
- 在作用域结束时自动释放资源，避免内存泄漏。
轻量高效：
- 几乎没有额外的开销，性能接近裸指针。
支持自定义删除器：
- 可以灵活地指定资源释放方式。

注意事项

不能拷贝：
- std::unique_ptr 不能拷贝，只能移动。
数组支持：
- 对于动态数组，可以使用 std::unique_ptr<T[]>，它会调用 delete[] 释放内存。
避免悬空指针：
- 在移动 std::unique_ptr 后，原指针会变为 nullptr，访问它会引发未定义行为。

总结

std::unique_ptr 的原理是通过独占所有权和移动语义来管理动态分配的对象。
它的设计目标是轻量、高效且安全地管理资源。
适用于需要独占所有权且不需要共享资源的场景。

这个问题考察的是对 std::unique_ptr 的实现原理和使用场景的理解，是 C++ 面试中的常见题目。

THE END