面试题：C++ 移动构造函数在复杂类继承体系中的应用

Question

给定一个具有多层继承关系且包含资源管理的复杂类体系，描述如何在各级子类和父类中合理设计移动构造函数和移动赋值运算符，以确保移动语义的正确实现和资源的有效转移，同时分析可能遇到的问题及解决方案。

Answer 1

移动构造函数和移动赋值运算符设计

1. 父类设计：
   • 移动构造函数：
     • 释放自身资源（如果有）。
     • 从参数中窃取资源。
     • 例如：

class Base {
private:
    int* data;
public:
    Base() : data(new int(0)) {}
    Base(Base&& other) noexcept : data(other.data) {
        other.data = nullptr;
    }
    ~Base() {
        delete data;
    }
};

- **移动赋值运算符**：
  - 检查自赋值。
  - 释放自身资源。
  - 从参数中窃取资源。
  - 返回 `*this`。
  - 例如：

Base& Base::operator=(Base&& other) noexcept {
    if (this == &other) {
        return *this;
    }
    delete data;
    data = other.data;
    other.data = nullptr;
    return *this;
}

2. 子类设计：
   • 移动构造函数：
     • 调用父类的移动构造函数以处理父类部分的资源移动。
     • 处理子类特有的资源移动，方式与父类类似，释放自身资源并从参数窃取资源。
     • 例如：

class Derived : public Base {
private:
    char* str;
public:
    Derived() : str(new char[1]) { str[0] = '\0'; }
    Derived(Derived&& other) noexcept : Base(std::move(other)), str(other.str) {
        other.str = nullptr;
    }
    ~Derived() {
        delete[] str;
    }
};

- **移动赋值运算符**：
  - 调用父类的移动赋值运算符处理父类资源。
  - 检查自赋值。
  - 释放子类自身资源。
  - 从参数窃取子类资源。
  - 返回 `*this`。
  - 例如：

Derived& Derived::operator=(Derived&& other) noexcept {
    if (this == &other) {
        return *this;
    }
    Base::operator=(std::move(other));
    delete[] str;
    str = other.str;
    other.str = nullptr;
    return *this;
}

可能遇到的问题及解决方案

1. 资源释放顺序问题：
   • 问题：如果在移动构造函数或移动赋值运算符中资源释放顺序不当，可能导致悬空指针或内存泄漏。
   • 解决方案：确保先释放自身资源，再从参数窃取资源，如上述代码示例所示。在多层继承中，先调用父类的移动操作处理父类资源，再处理子类资源。
2. 虚函数表指针与移动语义：
   • 问题：在包含虚函数的类体系中，移动操作可能影响虚函数表指针的正确设置，导致运行时错误。
   • 解决方案：现代编译器通常能正确处理虚函数表指针在移动操作中的问题。但在手动管理资源时，确保移动操作不会破坏虚函数表指针的完整性。在移动构造函数和移动赋值运算符中，遵循正确的对象初始化和资源转移顺序，避免意外修改虚函数表指针。
3. 异常安全：
   • 问题：如果在移动操作过程中抛出异常，可能导致资源泄漏或对象处于不一致状态。
   • 解决方案：移动构造函数和移动赋值运算符通常标记为 noexcept，表明不会抛出异常。如果移动操作内部有可能抛出异常的代码，需要进行适当处理，如使用 try - catch 块捕获异常并进行资源回滚，确保对象始终处于一致状态。
4. 自赋值处理：
   • 问题：在移动赋值运算符中，如果未处理自赋值情况，可能导致资源被错误释放或重复释放。
   • 解决方案：在移动赋值运算符开始处检查自赋值（if (this == &other)），如果是自赋值，直接返回 *this，避免后续资源操作。