面试题：C++ std::unique_ptr异常安全的实现细节

Question

详细阐述std::unique_ptr是如何确保异常安全的，从它的构造函数、析构函数以及赋值操作等方面进行分析。假设存在一个类A，其中有一个std::unique_ptr成员变量，在A的拷贝构造函数和移动构造函数中，如何保证对std::unique_ptr的处理符合异常安全原则？

Answer 1

std::unique_ptr确保异常安全分析

1. 构造函数
   • std::unique_ptr的构造函数通常是无异常抛出的。例如，std::unique_ptr<int> ptr(new int(5));在new int(5)成功分配内存后，std::unique_ptr的构造函数会接管这个指针的所有权。如果new int(5)抛出异常（比如内存分配失败），std::unique_ptr不会持有一个无效指针，因为它的构造函数还未执行完成，也就不存在资源泄漏问题，符合异常安全的基本要求。
2. 析构函数
   • std::unique_ptr的析构函数会自动释放它所管理的资源。当std::unique_ptr对象生命周期结束时（无论是正常结束还是因为异常导致栈展开），析构函数会被调用。例如：

   {
       std::unique_ptr<int> ptr(new int(5));
   } // 这里`ptr`的析构函数会被调用，释放`new int(5)`分配的内存
   

   • 由于析构函数是自动调用且释放资源的操作是确定的，不会抛出异常，所以在异常发生导致栈展开时，资源能够被正确释放，满足异常安全中的“无泄漏”原则。
3. 赋值操作
   • 对于std::unique_ptr的赋值操作（operator =），它会先释放当前所管理的资源（如果有），然后接管新的指针。例如：

   std::unique_ptr<int> ptr1(new int(5));
   std::unique_ptr<int> ptr2(new int(10));
   ptr1 = std::move(ptr2);
   

   • 在ptr1 = std::move(ptr2)中，ptr1会先释放它原来管理的int(5)（如果有），然后接管ptr2的指针。这个过程中，如果接管新指针时抛出异常（比如在某些自定义的资源接管逻辑中），ptr1会恢复到赋值前的状态（持有原来的资源或为nullptr），而ptr2会释放资源（因为已经std::move了），符合异常安全中的“基本保证”原则（操作失败时，对象处于有效但未指定的状态）。

类A中std::unique_ptr处理符合异常安全原则

1. 拷贝构造函数
   • std::unique_ptr是不可拷贝的，因为它的设计理念就是独占资源。如果类A中有一个std::unique_ptr成员变量，在类A的拷贝构造函数中不能简单地拷贝std::unique_ptr。例如：

   class A {
   private:
       std::unique_ptr<int> data;
   public:
       A(const A& other) = delete; // 显式删除拷贝构造函数，避免意外拷贝导致资源管理问题
   };
   

   • 如果确实需要拷贝资源，应该重新分配内存并拷贝数据。例如：

   class A {
   private:
       std::unique_ptr<int> data;
   public:
       A(const A& other) {
           if (other.data) {
               data.reset(new int(*other.data));
           }
       }
   };
   

   • 在这个过程中，如果new int(*other.data)抛出异常，data不会被赋值，对象A不会处于无效状态，符合异常安全的“基本保证”原则。
2. 移动构造函数
   • 在类A的移动构造函数中，std::unique_ptr的处理应该是安全的。例如：

   class A {
   private:
       std::unique_ptr<int> data;
   public:
       A(A&& other) noexcept : data(std::move(other.data)) {}
   };
   

   • 这里使用std::move来转移std::unique_ptr的所有权。由于std::unique_ptr的移动构造函数是noexcept的，不会抛出异常，所以在移动过程中如果发生异常（在移动构造函数外部），other的资源已经被转移，data持有正确的资源，符合异常安全原则。同时，移动构造函数标记为noexcept也向调用者表明此操作不会抛出异常，让调用者可以进行更优化的处理。