面试题：C++ 虚析构函数在模板元编程及复杂设计模式中的特殊场景

特殊使用场景

工厂模式中对象创建与销毁：在工厂模式下，通过工厂类创建对象，返回的指针类型通常是基类指针。例如，假设有一个Shape基类和Circle、Rectangle等派生类。工厂函数可能这样写：

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;
    // 这里假设还没有虚析构函数
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        // 绘制圆形的代码
    }
};

class ShapeFactory {
public:
    static Shape* createShape(const std::string& type) {
        if (type == "circle") {
            return new Circle();
        }
        return nullptr;
    }
};

当使用工厂创建对象并释放时：

Shape* shape = ShapeFactory::createShape("circle");
shape->draw();
delete shape; // 如果Shape没有虚析构函数，这里只会调用Shape的析构函数，Circle的析构函数不会被调用，导致内存泄漏

策略模式中不同策略对象的销毁：在策略模式中，不同的策略类继承自一个策略基类。例如，有一个SortStrategy基类和QuickSortStrategy、MergeSortStrategy等派生策略类。

class SortStrategy {
public:
    virtual void sort(int* arr, int size) = 0;
    // 假设还没有虚析构函数
};

class QuickSortStrategy : public SortStrategy {
public:
    void sort(int* arr, int size) override {
        // 快速排序代码
    }
};

class Context {
private:
    SortStrategy* strategy;
public:
    Context(SortStrategy* s) : strategy(s) {}
    ~Context() {
        delete strategy; // 如果SortStrategy没有虚析构函数，同样会导致派生类析构函数不被调用
    }
    void executeSort(int* arr, int size) {
        strategy->sort(arr, size);
    }
};

面临的挑战

内存泄漏：如上述例子，如果基类没有虚析构函数，当通过基类指针释放派生类对象时，派生类的析构函数不会被调用，从而导致派生类中分配的资源无法释放，产生内存泄漏。
未定义行为：可能导致程序在运行时出现未定义行为，尤其是在析构函数中涉及到资源清理（如文件关闭、内存释放等）操作时，如果没有正确调用派生类析构函数，可能会访问已释放的内存或其他未定义的状态。

保证正确实现的方法

在基类中定义虚析构函数：在上述Shape基类中添加虚析构函数：

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

在SortStrategy基类中同样添加：

class SortStrategy {
public:
    virtual void sort(int* arr, int size) = 0;
    virtual ~SortStrategy() = default;
};

使用智能指针：结合智能指针可以更好地管理对象的生命周期，进一步避免内存泄漏。例如，在工厂模式中可以返回std::unique_ptr<Shape>：

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        // 绘制圆形的代码
    }
};

class ShapeFactory {
public:
    static std::unique_ptr<Shape> createShape(const std::string& type) {
        if (type == "circle") {
            return std::make_unique<Circle>();
        }
        return nullptr;
    }
};

在使用时：

auto shape = ShapeFactory::createShape("circle");
if (shape) {
    shape->draw();
}
// 智能指针离开作用域时会自动调用析构函数，无需手动delete

在策略模式的Context类中也可以使用智能指针管理策略对象：

class Context {
private:
    std::unique_ptr<SortStrategy> strategy;
public:
    Context(std::unique_ptr<SortStrategy> s) : strategy(std::move(s)) {}
    void executeSort(int* arr, int size) {
        strategy->sort(arr, size);
    }
};

这样可以确保在对象生命周期结束时，无论是基类还是派生类的析构函数都会被正确调用，有效避免内存泄漏和未定义行为。

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知识考点

面试题答案

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