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C++ 面試題:假設成員變量有一個裸指針,移動構造應該注意什么?

開發
假設成員變量有一個裸指針,移動構造應該注意:當類包含裸指針時,移動構造函數需轉移所有權、置空源指針、確保異常安全。

1. 正確轉移資源所有權

當類擁有裸指針成員時,該指針通常表示類對某資源的所有權。在移動構造過程中:

(1) 指針值轉移:將源對象的指針值直接賦給新對象,使新對象獲得對資源的訪問權。這是一個淺拷貝操作,只復制指針本身,不復制指針指向的數據。

newObj.ptr = oldObj.ptr;

(2) 源對象指針置空:必須將源對象的指針設置為nullptr。這一步至關重要,因為:

  • 如果不置空,當源對象被銷毀時,其析構函數會釋放指針指向的內存
  • 新對象也擁有同一指針,當新對象被銷毀時會再次釋放同一內存
  • 這會導致"雙重釋放"錯誤,是一種嚴重的未定義行為
oldObj.ptr = nullptr;

(3) 完整性考慮:如果類有多個資源成員,必須確保所有資源都被正確轉移,并且源對象的所有相關狀態(如大小計數器等)也要相應更新。

2. 異常安全性

noexcept 聲明:移動構造函數應該標記為noexcept,明確表示不會拋出異常。

MyClass(MyClass&& other) noexcept;

為什么這很重要:

  • STL 容器(如std::vector)在擴容時會使用移動操作來轉移元素
  • 如果移動操作可能拋出異常,STL 會退回到使用復制操作以保證異常安全
  • 這會顯著降低性能,尤其是對大型對象

這里怎么理解呢?

首先我們看下異常安全的級別:

  • 強異常安全保證:如果操作失敗(拋出異常),程序狀態會回滾到操作前的狀態,如同操作從未發生。
  • 基本異常安全保證:操作失敗時,程序狀態可能被部分修改,但不會導致資源泄漏或崩潰。

容器的擴容操作(如 push_back 觸發 vector 擴容)需要滿足強異常安全保證,即如果移動元素過程中拋出異常,原始數據必須保持不變。

假設在 vector 擴容時,使用移動構造函數逐個移動元素到新內存中。如果移動某個元素時拋出異常,此時部分元素已經被移動,而剩下的還沒處理。這會導致源對象和目標對象的狀態都不確定,破壞了異常安全。相反,如果使用拷貝,即使拷貝過程中拋出異常,源對象仍然保持原樣,容器可以安全地釋放新分配的內存,保持原有數據不變,從而滿足強異常安全保證。

具體解釋這個機制。比如,vector 在重新分配時,會先分配新的內存,然后嘗試將元素移動到新內存。如果移動操作沒有 noexcept,并且可能拋出異常,那么 vector 為了保證在異常發生時原有數據不被破壞,就會轉而使用拷貝。因為拷貝每個元素到新位置時,如果中途失敗,只需要銷毀已經拷貝的部分,而原數據保持不變。而移動操作如果中途失敗,原數據可能已經被修改,無法恢復,導致數據丟失或重復釋放等問題。

std::vector 的擴容邏輯: 容器內部使用 std::move_if_noexcept 判斷是否使用移動。 如果移動構造函數標記為 noexcept,則優先移動。

否則,使用拷貝。

3. 完整性考慮

Rule of Five(五法則):如果需要自定義以下任何一個函數,通常需要考慮全部五個:

  • 析構函數
  • 拷貝構造函數
  • 拷貝賦值運算符
  • 移動構造函數
  • 移動賦值運算符

這是為了確保資源管理的完整性和一致性。

移動賦值運算符:與移動構造函數配套,需要處理自賦值情況并正確釋放當前資源:

Resource& operator=(Resource&& other) noexcept {
    if (this != &other) {  // 防止自賦值
        delete ptr;        // 釋放當前資源
        ptr = other.ptr;   // 獲取新資源
        other.ptr = nullptr; // 源對象置空
    }
    return *this;
}

拷貝操作的處理:當實現了移動語義后,需要決定:

  • 顯式禁用拷貝操作(= delete)
  • 實現深拷貝版本
  • 或使用默認實現(如果合適)

這里怎么理解呢?

我們想一下:如果一個類需要移動操作(例如管理裸指針),通常就意味著它的資源是不可共享的(如動態內存、文件句柄)。而默認的拷貝操作是淺拷貝,淺拷貝本質上說明資源是可以共享的。所以移動語義和拷貝屬于是天然對立的。

我們看個例子:

class DynamicArray {
private:
    int* data;
    size_t size;

public:
    // 移動構造函數:轉移所有權
    DynamicArray(DynamicArray&& other) noexcept
        : data(other.data), size(other.size) {
        other.data = nullptr;
        other.size = 0;
    }

    // 析構函數
    ~DynamicArray() { delete[] data; }

    // 未定義拷貝構造函數和拷貝賦值運算符
};

intmain(){
    DynamicArray arr1(100);  // 分配一個大小為 100 的數組
    DynamicArray arr2 = arr1; // 如果允許拷貝,會發生淺拷貝!
}

如果允許拷貝操作,arr2.data 和 arr1.data 將指向同一塊內存。當 arr1 和 arr2 析構時,會重復釋放同一塊內存,導致未定義行為(如程序崩潰)。

4. 資源管理

(1) 防止內存泄漏:確保每個分配的資源都有對應的釋放路徑。在移動構造中,資源的所有權從源對象轉移到目標對象,源對象不再負責釋放資源。

(2) 確保資源只被釋放一次:通過將源對象指針置空,確保資源只被新對象釋放一次。

(3) 析構函數的安全性:析構函數應該能夠安全地處理nullptr:

~Resource() {
    delete ptr;  // 即使ptr為nullptr也是安全的
}

(4) 源對象的有效狀態:移動后,源對象應處于有效但可能是未指定的狀態。這意味著:

  • 源對象可以安全地被析構
  • 源對象可以被重新賦值
  • 但不應該假設源對象仍然持有有效數據

(5) 考慮 RAII 原則:資源獲取即初始化(Resource Acquisition Is Initialization)是 C++的核心原則,移動語義應該遵循這一原則,確保資源始終由某個對象負責管理。

5. 改進方法

使用智能指針:

#include <memory>

class MyClass {
private:
    std::unique_ptr<int> ptr;
    
public:
    MyClass(int value) : ptr(std::make_unique<int>(value)) {}
    
    // 使用 unique_ptr 時,移動構造函數可以使用默認實現
    MyClass(MyClass&&) noexcept = default;
};
//移動 std::unique_ptr 僅復制指針值(淺拷貝),然后將源指針置空。
//這正是手動管理裸指針時需要實現的邏輯,而 std::unique_ptr 已內置這一行為。

6. 總結

當類包含裸指針時,移動構造函數需 轉移所有權、置空源指針、確保異常安全。

責任編輯:趙寧寧 來源: CppPlayer
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