在C++11及其后续版本中，std::unique_ptr 是一种智能指针，它负责自动管理动态分配的内存资源，确保在 unique_ptr 生命周期结束时自动删除所指向的对象，从而防止内存泄漏。本文将指导你从零开始实现一个简单的 unique_ptr 类，以深入理解其内部机制。
一、unique_ptr的基本概念
unique_ptr 是一种独占所有权的智能指针，即同一时间只能有一个 unique_ptr 指向某个对象。当 unique_ptr 被销毁时（例如超出作用域或被重置），它所指向的对象也会被自动删除。这种特性使得 unique_ptr 非常适用于管理在堆上动态分配的单个对象。
二、设计自定义的unique_ptr类
在实现自定义的 unique_ptr 之前，我们需要先确定类的成员和接口。以下是一个简单的 UniquePtr 类设计：
templateclass UniquePtr {public: // 构造函数 explicit UniquePtr(T* ptr = nullptr) : ptr_(ptr) {} // 禁止拷贝构造和拷贝赋值 UniquePtr(const UniquePtr&) = delete; UniquePtr& operator=(const UniquePtr&) = delete; // 允许移动构造和移动赋值 UniquePtr(UniquePtr&& other) noexcept; UniquePtr& operator=(UniquePtr&& other) noexcept; // 重置指针 void reset(T* ptr = nullptr); // 获取原始指针 T* get() const { return ptr_; } // 释放指针 void release(); // 解引用操作符 T& operator*() const; T* operator->() const; // 检查指针是否为空 explicit operator bool() const { return ptr_ != nullptr; } // 析构函数 ~UniquePtr();private: T* ptr_;};接下来，我们将根据上面的设计逐一实现 UniquePtr 类的成员函数。
1. 移动构造函数和移动赋值运算符
由于 UniquePtr 独占资源，因此我们需要禁用拷贝构造和拷贝赋值，而只允许移动构造和移动赋值。
templateUniquePtr::UniquePtr(UniquePtr&& other) noexcept : ptr_(other.ptr_) { other.ptr_ = nullptr; // 将源对象的指针设为nullptr，以确保资源的独占性}templateUniquePtr& UniquePtr::operator=(UniquePtr&& other) noexcept { if (this != &other) { // 防止自赋值 delete ptr_; // 删除当前对象所指向的资源 ptr_ = other.ptr_; // 接管源对象的资源 other.ptr_ = nullptr; // 将源对象的指针设为nullptr } return *this;}reset 函数用于重置 UniquePtr 所指向的对象。如果当前已经持有一个对象，则先删除它，然后接管新传入的对象。
templatevoid UniquePtr::reset(T* ptr) { delete ptr_; // 删除当前对象所指向的资源 ptr_ = ptr; // 接管新资源}release 函数用于释放 UniquePtr 对资源的所有权，返回原始指针，并将内部指针设为 nullptr。这样做可以手动管理资源，但通常不推荐这样做，因为它破坏了 UniquePtr 的自动管理特性。
templatevoid UniquePtr::release() { T* temp = ptr_; // 保存原始指针 ptr_ = nullptr; // 将内部指针设为nullptr return temp; // 返回原始指针}这两个操作符使得我们可以像使用原始指针一样使用 UniquePtr。
templateT& UniquePtr::operator*() const { return *ptr_; // 返回指向对象的引用}templateT* UniquePtr::operator->() const { return ptr_; // 返回原始指针}析构函数负责在 UniquePtr 生命周期结束时自动删除所指向的对象。
templateUniquePtr::~UniquePtr() { delete ptr_; // 删除所指向的对象}现在我们可以使用自定义的 UniquePtr 类来管理动态分配的内存资源了。以下是一个简单的示例：
#include #include "UniquePtr.h" // 假设UniquePtr类定义在UniquePtr.h中struct MyClass { MyClass(int value) : value_(value) {} ~MyClass() { std::cout << "Destroying MyClass with value " << value_ << std::endl; } int value_;};int main() { UniquePtr ptr1(new MyClass(10)); // 使用UniquePtr管理MyClass对象 std::cout << "ptr1 points to " << ptr1->value_ << std::endl; // 使用箭头操作符访问成员变量 (*ptr1).value_ = 20; // 使用解引用操作符修改成员变量值，这里仅为示例，通常更推荐使用箭头操作符来访问成员变量和成员函数。 std::cout << "ptr1 points to " << ptr1->value_ << std::endl; // 输出修改后的值以验证修改成功。 return 0; // 当main函数返回时，ptr1将被销毁，并自动删除所指向的MyClass对象。} // 在此处输出“Destroying MyClass with value 20”以验证对象已被正确删除。标准的std::unique_ptr允许用户提供一个自定义的删除器，这是一个可调用对象，用于在unique_ptr析构时删除所管理的对象。我们可以在自定义的UniquePtr中也加入这一特性。
template>class UniquePtr { // ... 其他成员保持不变 ...private: Deleter deleter_; T* ptr_;};// 在构造函数中初始化删除器templateUniquePtr::UniquePtr(T* ptr, Deleter deleter) : deleter_(deleter), ptr_(ptr) {}// 在析构函数中使用删除器templateUniquePtr::~UniquePtr() { deleter_(ptr_);}std::unique_ptr有一个模板特化版本，用于管理动态分配的数组。我们的自定义UniquePtr也可以添加对数组的支持。
// 特化版本用于支持数组templateclass UniquePtr {public: explicit UniquePtr(T* ptr = nullptr) : ptr_(ptr) {} // ... 其他必要的成员函数，类似于UniquePtr，但要使用delete[]来释放内存 ...private: T* ptr_;};为了方便使用，可以提供类型别名，类似于std::unique_ptr。
template>using UniquePtrPtr = UniquePtr;templateusing UniquePtrArray = UniquePtr;通过实现自定义的UniquePtr，我们不仅学习了智能指针的内部机制，还掌握了如何管理动态分配的内存资源，以及如何设计可重用和可扩展的C++代码。当然，实际生产中的智能指针实现会更加复杂，需要考虑更多的边界情况和性能优化。
现在，我们的UniquePtr类已经具备了基本的智能指针功能，能够自动管理内存，并且支持移动语义和自定义删除器。这个实现虽然简单，但足以展示智能指针的核心思想和工作原理。
在实际项目中，建议使用标准库提供的std::unique_ptr，因为它已经过高度优化和测试，可以确保在各种情况下的正确性和性能。然而，通过自己实现一个简单的版本，我们可以更深入地理解其背后的原理和设计考虑。
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