vector、unique_ptr、shared_ptr 的區別

在 C++ 中，std::vector、std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 是三個不同的工具，雖然它們有不同的用途，但可以互相結合使用來管理動態記憶體。讓我們來詳細解釋它們的區別和用法。

1. std::vector

std::vector 是 C++ 標準庫中的動態陣列容器，它允許你儲存任意數量的元素，而且容器的大小會隨著元素的增加或減少自動調整。std::vector 會管理記憶體分配和釋放，並且提供快速隨機存取。

特點：

• 動態大小：當你向 std::vector 中新增元素時，它會自動調整容量。
• 連續記憶體：std::vector 儲存在連續的記憶體位置，這使得它對於隨機存取操作非常高效。
• 自動管理記憶體：std::vector 會自動處理記憶體的分配和釋放。

範例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec;
    vec.push_back(10);
    vec.push_back(20);
    vec.push_back(30);

    for (int num : vec) {
        std::cout << num << std::endl;
    }
    return 0;
}

2. std::unique_ptr

std::unique_ptr 是 C++11 引入的智能指標，它是 唯一擁有 物件的指標，也就是說，當 unique_ptr 被銷毀或移動時，它所指向的物件會自動被釋放。unique_ptr 不允許拷貝，只允許移動，這可以確保物件只有一個所有者，避免了多重釋放的問題。

特點：

• 唯一擁有者：std::unique_ptr 保證它是唯一擁有指向的物件的指標，無法拷貝。
• 自動釋放記憶體：當 unique_ptr 超出作用域時，它會自動釋放記憶體。
• 移動語義：可以使用 std::move() 將 unique_ptr 移動給另一個 unique_ptr，這樣會將所有權轉移給另一個指標。

範例：

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    void sayHello() {
        std::cout << "Hello from MyClass!" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::unique_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_unique<MyClass>();
    ptr1->sayHello();
    
    // 不允許拷貝，但可以移動
    std::unique_ptr<MyClass> ptr2 = std::move(ptr1);
    // ptr1 現在為 nullptr

    return 0;
}

3. std::shared_ptr

std::shared_ptr 是 C++11 引入的另一種智能指標，它允許多個指標共享對同一物件的擁有權。當最後一個 shared_ptr 被銷毀時，物件會被釋放。shared_ptr 使用引用計數來追蹤有多少個 shared_ptr 指向同一個物件。

特點：

• 共享所有權：多個 shared_ptr 可以指向同一物件，它們共享所有權，當最後一個 shared_ptr 被銷毀時，物件會被釋放。
• 引用計數：每次創建一個新的 shared_ptr 時，內部會維護一個引用計數，當引用計數降到 0 時，物件才會被銷毀。
• 可以拷貝和移動：shared_ptr 可以拷貝，這會增加引用計數。

範例：

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    void sayHello() {
        std::cout << "Hello from MyClass!" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>();
    ptr1->sayHello();
    
    // 拷貝 shared_ptr，引用計數會增加
    std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1;
    ptr2->sayHello();
    
    // 當最後一個 shared_ptr 被銷毀時，MyClass 物件會自動釋放
    return 0;
}

區別總結：

特性/指標類型	std::vector	std::unique_ptr	std::shared_ptr
用途	儲存動態數據的容器（如陣列）	管理動態分配的單一物件（唯一擁有者）	管理動態分配的物件，允許多個擁有者
記憶體管理	自動管理記憶體	自動釋放記憶體	依靠引用計數自動釋放記憶體
是否允許拷貝	允許拷貝	不允許拷貝，只允許移動	允許拷貝和移動，增加引用計數
是否多重擁有	無多重擁有（只能擁有元素的指標）	不能多重擁有（只能有一個 unique_ptr）	支援多重擁有（多個 shared_ptr 指向同一物件）
當物件銷毀時	當 vector 被銷毀時，容器內的所有物件也會被銷毀	當 unique_ptr 被銷毀時，它所擁有的物件會被釋放	當最後一個 shared_ptr 被銷毀時，物件才會被釋放

如何結合使用它們：

• std::vector 和 std::unique_ptr：你可以將 std::unique_ptr 儲存到 std::vector 中，用來管理一系列動態分配的物件。例如，儲存一組指向不同物件的 unique_ptr。

  #include <vector>
  #include <memory>
  
  class MyClass {
  public:
      void sayHello() {
          std::cout << "Hello from MyClass!" << std::endl;
      }
  };
  
  int main() {
      std::vector<std::unique_ptr<MyClass>> vec;
      vec.push_back(std::make_unique<MyClass>());
      vec[0]->sayHello();
      
      return 0;
  }
  

• std::vector 和 std::shared_ptr：你也可以將 std::shared_ptr 儲存到 std::vector 中，這樣可以共享物件的所有權，並在需要時讓多個指標共享同一個物件。

  #include <vector>
  #include <memory>
  
  class MyClass {
  public:
      void sayHello() {
          std::cout << "Hello from MyClass!" << std::endl;
      }
  };
  
  int main() {
      std::vector<std::shared_ptr<MyClass>> vec;
      vec.push_back(std::make_shared<MyClass>());
      vec[0]->sayHello();
      
      return 0;
  }
  

總結：

• std::vector 用於動態數據儲存，尤其是需要動態調整大小的情況。
• std::unique_ptr 用於管理單一物件的所有權，確保記憶體自動釋放且不會有多重所有者。
• std::shared_ptr 用於多個擁有者共享同一物件，通過引用計數管理記憶體的釋放。