面试题：C++ 构造函数与普通函数在内存管理和异常处理协同中的特殊考量

Question

当涉及内存管理（如使用 new 和 delete 操作符）以及异常处理（try - catch 机制）时，C++ 的构造函数和普通函数在协同工作上存在哪些特殊的考量？如果在构造函数中分配内存并可能抛出异常，如何设计代码以确保内存不会泄漏？从内存管理、异常安全性等多角度深入分析，并给出完整的代码示例及详细解释。

Answer 1

构造函数和普通函数在协同工作的特殊考量

1. 内存管理：
   • 构造函数：构造函数负责为对象分配资源，如使用new分配内存。在构造函数中分配的内存，通常期望在对象生命周期结束时由析构函数释放。如果构造函数中分配内存失败（如内存不足抛出异常），对象不应进入无效状态，且已分配的资源应正确释放。
   • 普通函数：普通函数可以调用构造函数来创建对象。如果在普通函数中创建对象并调用其构造函数，当构造函数抛出异常时，普通函数需要正确处理异常，避免内存泄漏。普通函数也可能接受对象作为参数，对这些对象的资源管理应遵循对象自身的生命周期管理规则。
2. 异常安全性：
   • 构造函数：构造函数必须保证“异常安全”，即如果在构造过程中抛出异常，对象应处于有效状态（通常是未构造成功的状态），并且已分配的资源应被正确释放。如果构造函数不能保证异常安全，可能会导致内存泄漏或对象处于不一致状态。
   • 普通函数：普通函数在调用构造函数创建对象时，需要处理可能抛出的异常。如果不处理，异常会向上层调用栈传播，可能导致程序崩溃。普通函数自身在执行过程中也可能抛出异常，需要考虑对调用者的影响，以及如何与构造函数的异常处理协同工作。

确保内存不泄漏的代码设计

在C++中，为了确保在构造函数分配内存并可能抛出异常时不发生内存泄漏，可以使用智能指针。智能指针会自动管理所指向对象的生命周期，当智能指针离开作用域时，会自动释放其所指向的内存。

以下是一个完整的代码示例：

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
private:
    std::unique_ptr<int[]> data;
public:
    MyClass(int size) {
        try {
            data = std::make_unique<int[]>(size);
            // 模拟可能抛出异常的操作
            if (size > 10) {
                throw std::runtime_error("Size too large");
            }
            // 初始化数组
            for (int i = 0; i < size; ++i) {
                data[i] = i;
            }
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cerr << "Exception in constructor: " << e.what() << std::endl;
            // 这里智能指针data会自动释放内存，无需手动处理
        }
    }
    // 析构函数无需手动释放data，因为unique_ptr会自动处理
    ~MyClass() = default;
};

int main() {
    try {
        MyClass obj(15);
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Caught in main: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

代码解释

1. 类定义：
   • MyClass类中使用std::unique_ptr<int[]>来管理动态分配的整数数组。std::unique_ptr是C++标准库提供的智能指针，它负责自动释放所指向的内存。
2. 构造函数：
   • 使用std::make_unique<int[]>(size)分配一个大小为size的整数数组，并将其赋值给data。
   • 模拟一个可能抛出异常的条件，如果size大于10，抛出std::runtime_error异常。
   • 如果在构造函数执行过程中抛出异常，由于data是std::unique_ptr类型，它会自动释放分配的内存，从而避免内存泄漏。
3. 析构函数：
   • 由于使用了std::unique_ptr，析构函数可以使用默认实现，std::unique_ptr会在对象销毁时自动释放内存。
4. main函数：
   • 在main函数中尝试创建MyClass对象，并传入size为15，这会导致构造函数抛出异常。
   • try - catch块捕获并处理异常，输出异常信息。在这个过程中，内存不会泄漏，因为MyClass构造函数中的智能指针管理了内存释放。