C++ std::shared_ptr的make_shared与构造函数创建的性能对比

在C++开发中，使用智能指针是管理动态内存的标准做法。然而，创建 std::shared_ptr 主要有两种方式：直接使用 new 配合构造函数，或者使用 std::make_shared 工厂函数。这两种方式在性能表现和内存布局上存在显著差异，直接影响了程序的运行效率。

理解内存分配机制

要理解性能差异，首先需要明白 std::shared_ptr 在内存中到底有什么。它不仅包含指向对象的指针，还必须包含一个“控制块”，用于存储引用计数、弱引用计数和删除器。

1. 传统构造函数方式（使用 new）

当通过 new 创建对象并传递给 shared_ptr 构造函数时，内存分配过程分为两步。

编写如下代码观察行为：

std::shared_ptr<Widget> p1(new Widget());

此时发生了以下内存操作：

1. 执行 new Widget()：系统在堆上分配一块内存用于存放 Widget 对象本身。
2. 执行 shared_ptr 构造函数：系统需要在堆上再次分配一块内存用于存放“控制块”。
3. 组合：构造函数将对象指针与控制块关联起来。

这种方式会导致两次堆内存分配操作。

2. std::make_shared 方式

当使用 std::make_shared 创建智能指针时，内存分配过程被优化为一步。

编写如下代码观察行为：

auto p2 = std::make_shared<Widget>();

此时发生的内存操作：

1. 计算系统所需的总内存大小（即 Widget 对象大小 + 控制块大小）。
2. 执行单次内存分配：系统在堆上分配一块连续的内存空间，同时容纳对象和控制块。
3. 构造：在同一块内存上调用 Widget 的构造函数并初始化控制块。

这种方式仅需要进行一次堆内存分配。

可视化内存布局

为了更直观地展示两者在内存布局上的区别，请参考下方的结构图。

从图中可以看出，make_shared 将数据整合在一起，减少了内存碎片，并提升了分配效率。

性能对比分析

基于上述的内存分配机制，我们可以从以下三个维度对两者进行深入对比。

权衡与隐藏的陷阱

虽然 make_shared 在性能和安全性上通常更优，但在特定场景下，它也有一个明显的缺点：控制块的生命周期。

理解引用计数的销毁时机：

1. 构造函数方式：当对象的引用计数降为 0，Widget 的内存被立即释放。此时即使控制块（因为弱引用 std::weak_ptr 存在）仍然存活，对象占用的内存也已经归还给系统。
2. make_shared方式：由于对象和控制块在同一块内存中，只要控制块还活着（例如还有 weak_ptr 指向它），整块内存都无法被释放。

这意昧着，如果对象非常大（例如一个 100MB 的图像数据），且存在 std::weak_ptr 长期持有该对象不释放，使用 make_shared 会导致这 100MB 的内存长期被占用，即使该对象已经不再被使用。而使用 new 方式，那 100MB 可以被先释放，仅保留微小的控制块内存。

实操指南与最佳实践

根据上述分析，遵循以下步骤选择合适的创建方式：

1. 优先使用 std::make_shared：
   在绝大多数常规场景下（对象大小适中，无需配合 std::weak_ptr 进行复杂生命周期管理），直接使用 std::make_shared。它能带来更好的性能和更强的异常安全保证。

   // 推荐：默认选择
   auto ptr = std::make_shared<MyClass>("arguments");

2. 使用构造函数方式 当且仅当：

   • 自定义删除器：你需要为对象指定特定的删除逻辑。
   • 大对象 + 弱引用：对象占用内存很大，且会被 std::weak_ptr 长期监控，为了避免内存占用延迟释放。

   // 特殊情况：大对象配合 weak_ptr
   std::shared_ptr<BigObject> ptr(new BigObject());

3. 避免混用：
   绝不要将 new 得来的原始指针赋值给多个 shared_ptr，这会导致重复释放和崩溃。

   // 错误示范
   auto raw = new int();
   std::shared_ptr<int> p1(raw);
   std::shared_ptr<int> p2(raw); // 危险！p1 和 p2 各自创建独立的控制块，导致 raw 被 delete 两次

通过理解内存分配的底层逻辑，可以在保证代码健壮性的同时，榨取程序的最后一点性能。