Smart Pointers（anible_ptr、shared_ptr、weak_ptr）はCでどのように機能し、いつそれらを使用する必要がありますか？

Smart Pointers（anible_ptr、shared_ptr、weak_ptr）はCでどのように機能し、いつそれらを使用する必要がありますか？

Cのスマートポインターは、本質的にポインターのように機能するが、指すメモリを自動的に管理するクラスです。それらは、記憶の漏れとぶら下がっているポインター、生のポインターに関する一般的な問題を防ぐのに役立ちます。彼らはRAIIを通じてこれを達成します（リソースの取得は初期化です）：スマートポインターが作成され、スマートポインターが範囲外に出る、または明示的に削除されたときにスマートポインターが作成され、自動的にリリースされるとリソース（メモリ）が取得されます。

Cには3つの主要なタイプのスマートポインターがあります。

• unique_ptr ：これは、動的に割り当てられたオブジェクトの排他的な所有権を表します。いつでも特定のオブジェクトを指すことができるunique_ptr 1つだけです。 unique_ptr範囲外に出ると、それが指すオブジェクトは自動的に削除されます。リソースの唯一の所有権が必要であり、自動的にクリーンアップされていることを確認する必要がある場合は、 unique_ptr使用する必要があります。一般的に、自動メモリ管理が必要なほとんどの状況では、好ましい選択です。 unique_ptrコピーを許可せず、移動のみを許可します。
• shared_ptr ：これにより、動的に割り当てられたオブジェクトの共有所有権が可能になります。複数のshared_ptrオブジェクトは、同じオブジェクトを指すことができます。内部参照カウンターは、オブジェクトを指すshared_ptrの数を追跡します。参照カウントがゼロに低下すると、オブジェクトは自動的に削除されます。コードの複数の部分が同じオブジェクトにアクセスして管理する必要がある場合は、 shared_ptr使用します。
• weak_ptr ：これは、 shared_ptrによって管理されたオブジェクトへの非所有の参照を提供します。参照カウントを増加させません。 weak_ptr使用して、オブジェクトがアクセスしようとする前にオブジェクトがまだ存在するかどうかを確認し、潜在的なぶら下がっているポインターの問題を防ぎます。 weak_ptrを使用して、寿命に影響を与えることなくshared_ptrによって管理されているオブジェクトのライフサイクルを観察する必要がある場合。 .lock()を使用して、 weak_ptrからshared_ptr取得する必要があります。これにより、 shared_ptrがまだ存在する場合はshared_ptrが返されます。

いつ使用するか：

• 単一の所有権シナリオにはunique_ptr使用して、最高のパフォーマンスとシンプルさを提供します。
• 複数の所有者が必要な場合はshared_ptr使用しますが、参照カウントのオーバーヘッドに注意してください。
• weak_ptrを使用して、寿命に影響を与えることなく、 shared_ptrによって管理されたオブジェクトを安全に観察します。

所有権とメモリ管理の観点から、 unique_ptr 、 shared_ptr 、およびweak_ptrの主な違いは何ですか？

コアの違いは、所有権のセマンティクスにあります。

• unique_ptr ：排他的所有権。一度に特定のオブジェクトを指すことができるunique_ptr 1つだけです。オブジェクトは、 unique_ptrが破壊されたときに削除されます。参照カウントは含まれていません。所有権はstd::moveを使用して転送できます。
• shared_ptr ：共有所有権。複数のshared_ptr sは同じオブジェクトを指すことができます。内部参照カウントは、 shared_ptr sの数を追跡します。参照カウントがゼロに達すると、オブジェクトは削除されます。これにより、 unique_ptrと比較してオーバーヘッドが導入されます。
• weak_ptr ：非所有の参照。 weak_ptr 、それが言及するオブジェクトの参照カウントに影響しません。アクセスを試みる前にオブジェクトがまだ存在するかどうかを確認するために使用されます。 shared_ptr s間の円形依存関係を破る方法を提供します。

メモリ管理に関しては、 unique_ptr最も簡単なアプローチを提供しますが、 shared_ptrには参照カウントの維持のオーバーヘッドが含まれます。 weak_ptrメモリを直接管理しませんが、共有所有権を含むシナリオでのぶら下がりポインターを防ぐのに役立ちます。

cでスマートポインターを使用するときに、メモリリークやぶら下がっているポインターを回避するにはどうすればよいですか？

スマートポインターは、メモリリークとぶら下がっているポインターのリスクを大幅に軽減しますが、慎重な使用法は依然として重要です。

• 可能な限り生のポインターを避けます：動的に割り当てられたメモリを管理するためのスマートポインターを好みます。
• std::moveの正しい使用： unique_ptrの所有権を転送するときは、 std::moveを使用してコピーを避け、元のunique_ptrが適切にリセットされていることを確認します。
• 慎重なサイクル検出： shared_ptr s間の循環依存関係は、メモリリークにつながる可能性があります。 weak_ptrを使用してこれらのサイクルを破ります。オブジェクトAにオブジェクトBにshared_ptrがあり、オブジェクトBにオブジェクトAへのshared_ptrがある場合、どちらも削除されません。これらの関係の1つでweak_ptrを使用すると、サイクルが壊れます。
• 例外の安全性：オブジェクトの作成または操作中に例外の場合に漏れを防ぐための適切な例外処理を確認してください。スマートポインターが作成される前に例外が発生した場合、リークは発生しません。スマートポインターが作成された後に例外が発生した場合、スマートポインターのデストラクタが自動的にクリーンアップします。
• 適切な初期化：常にスマートポインターを初期化し、明示的に意図していない限り、ヌルポインターを回避します。

Cアプリケーションでさまざまなタイプのスマートポインターを使用することのパフォーマンスへの影響は何ですか？

スマートポインターのパフォーマンスは、タイプと使用法によって異なります。

• unique_ptr ：一般的には、参照カウントが含まれないため、最も低いオーバーヘッドを持っています。これは最もパフォーマンスのあるオプションです。
• shared_ptr ：基準カウントでの原子増分および減少操作により、オーバーヘッドが高くなっています。このオーバーヘッドは、コードのパフォーマンスクリティカルなセクションで重要になる可能性があります。
• weak_ptr ：参照カウントを維持していないため、 shared_ptrと比較してオーバーヘッドが比較的低くなっています。ただし、 .lock()を使用して管理されたオブジェクトにアクセスすると、パフォーマンスコストが少なくなります。

要約すると、 unique_ptr最も効率的で、その後にweak_ptrが続き、 shared_ptr最も高いオーバーヘッドを持っています。スマートポインターの選択は、所有権の要件とパフォーマンスの考慮事項によって推進されるべきです。パフォーマンスが最重要であり、単一の所有権が十分である場合、 unique_ptr明確な勝者です。共有所有権が必要な場合は、共有所有権の利点に対してshared_ptrのパフォーマンスコストを慎重に評価する必要があります。

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