C++ 構造函數異常安全：資源洩漏防禦與 RAII 實戰

前言

構造函數拋出異常時，**已構造完成的成員會自動析構**，但**構造過程中手動分配的資源（`new`、檔案句柄、鎖）不會自動釋放**，導致洩漏。本文詳細說明機制、錯誤示範、RAII 解決方案與 `try-catch` 重拋模式。

核心機制：C++ 標準保證

1. 構造函數體 `{}` 開始執行前，**所有成員已構造完成**（透過初始化列表或預設構造）。
2. 若構造函數拋出異常，**已構造的成員按逆序自動析構**。
3. **物件本身不存在**，因此**析構函數不會被調用**。
4. 若用 `new` 創建物件且構造拋異常，**記憶體會被 `operator delete` 釋放**（編譯器插入清理碼）。

錯誤示範：裸指針成員洩漏

class Foo {
    A* pA; B* pB; C* pC;
public:
    Foo() {
        pA = new A();  // 成功
        pB = new B();  // 成功
        pC = new C();  // 💥 拋出異常
    }
    ~Foo() {
        delete pA; delete pB; delete pC; // 永遠不會執行！
    }
};
// 結果：pA、pB 記憶體洩漏

方案一：RAII 智慧指針（現代 C++ 首選）

#include <memory>

class Foo {
    std::unique_ptr<A> pA;
    std::unique_ptr<B> pB;
    std::unique_ptr<C> pC;
public:
    Foo() : pA(std::make_unique<A>()),
            pB(std::make_unique<B>()),
            pC(std::make_unique<C>()) {}  // 任一失敗，前者自動釋放
    // 無需析構函數，unique_ptr 自動清理
};

優勢：零額外代碼、無例外安全漏洞、語義明確（獨佔所有權）。

方案二：標準容器/字串/RAII 封裝

class Bar {
    std::vector<int> bigBuffer;  // 自動管理記憶體
    std::fstream logFile;         // 自動關閉檔案
    std::mutex mtx;               // 無需手動 lock/unlock
public:
    Bar() : bigBuffer(1000000), logFile("log.txt") {
        if (!logFile) throw std::runtime_error("open failed");
    }
};

方案三：`try-catch` 重拋模式（C++98/無智慧指針環境）

class LegacyFoo {
    A* pA; B* pB; C* pC;
public:
    LegacyFoo() {
        try {
            pA = new A();
            pB = new B();
            pC = new C();  // 可能拋出
        } catch (...) {
            delete pA;  // 刪除空指針安全
            delete pB;
            delete pC;  // 可能為 nullptr
            throw;      // 重拋，讓上層知曉失敗
        }
    }
    ~LegacyFoo() { delete pA; delete pB; delete pC; }
};

關鍵點**：`delete nullptr` 安全；`throw;` 保留原始異常類型與堆疊追蹤。

初始化列表異常處理

class Baz : public Base {
    std::unique_ptr<Resource> res;
public:
    Baz() : Base(), res(std::make_unique<Resource>()) {
        // 若 Base 構造拋異常，res 尚未構造，無需清理
        // 若 res 構造拋異常，Base 已構造完成 → Base 析構自動調用
    }
};

**結論**：盡可能在初始化列表完成資源獲取（RAII 類型），異常安全自動保證。

Effective C++ 條款 10 回顧

「在構造函數中阻止資源洩漏：用智慧指針管理動態資源，或用 `try-catch` 手動清理並重拋。」

檢查清單

• ✅ 所有動態分配資源是否由 RAII 類型持有？（`unique_ptr`, `shared_ptr`, `vector`, `string`, `fstream`, `lock_guard`）
• ✅ 是否避免在構造函數體中直接 `new`/`malloc`/`fopen`？
• ✅ 若必須手動管理，是否有 `try-catch` 清理並 `throw;`？
• ✅ 基類析構函數是否 `virtual`？（多態刪除安全）
• ✅ 成員宣告順序是否與初始化列表順序一致？（避免使用未初始化成員）