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C++語義copy?and?swap示例詳解_C 語言

作者：庖丁解牛 ? 更新時間： 2022-12-05 編程語言

class對象的初始化

我們有一個class Data, 里面有一個int m_d 變量，存儲一個整數。

class Data
{
    int m_i;
    public:
    void print()
    {
        std::cout &lt;&lt; m_i &lt;&lt; std::endl;
    }
};

我們如果需要一個Data類的對象的話，可以這樣寫：

void test()
{
    Data d;
    d.print(); // 打印內部的變量 m_i
}

看到這里，應該能發現問題，雖然 d 變量已經實例化了，但是，我們好像沒有在初始化的時候指定內部m_i到底是什么值。

有沒有一種可能性，我們并沒有將 d 所引用的內存變成一個可以使用的狀態。

比如說，這里提一個業務需求，內部的m_i只能是奇數。

而上述代碼中的變量d所引用的內存中的m_i到底是什么數，是未知的，有可能你的編譯器將m_i的初始值設置成了0，但這是于事無補的，因為我們的業務需求是:

m_i 必須是奇數

所有用到d的地方，都會有這個假設，所以如果在初始化d的時候，沒有保證這個m_i是奇數的話，那么后續的所有業務邏輯全部都會崩潰。

說了這么多，實際上就是想道明一句話：

想要使用一個類對象，先進行初始化，這個對象的內存變成一個合法的狀態。

合法的狀態大部分跟業務邏輯相關，比如上面的m_i必須是奇數。

constructor 構造器

對象在實例化的時候，大抵有這么兩步：

分配內存：這里分棧和堆，又叫自動分配內存（函數棧自動張開）和手動（使用new操作符在堆上申請）
填充內存

分配好的內存，幾乎都是混沌的，完全不知道里面存的數據是什么，所以需要第二步填充內存，使得這塊內存變成合法的。

而 constructor 的最大職責就是這個。（打開文件，打開數據庫，或者網絡連接也能在這里面干）

這意思就是，constructor 執行的時機一定是在內存已經準備好了的時候。

拿上面的例子，我們這樣來確保一個合法的m_i:

class Data
{
    int m_i;
    public:
    Data(int i): m_i{i} // 變量m_i初始化
    {}
};
void test()
{
    Data d{3};// 這里確保了變量 m_i 為 3
}

也許不想在初始化的非要想一個合法值傳給m_i,我們可以搞一個默認constructor：

class Data
{
    int m_i;
    public:
    Data():m_i{1}
    {}
};
void test()
{
    Data d{}; // 這里不用填參數
}

constructor overload 構造器重載

constructor的形式有很多，但是它本質上就是一個函數，在初始化的時候會調用而已。

只要是函數，那么就可以按照一般的函數的重載規則進行重載。

上面的例子已經說明了這個用法

    Data() : m_i{1}        // 不帶參數
    Data(int i) : m_i{i}   // 帶了一個int參數 i

所以一個類該有什么樣的constructor，由業務邏輯自己決定。

copy constructor 拷貝構造器

還是上面的Data的例子：

void test
{
    Data d1{5};   調用 Data(int i) 進行初始化
    Data d2{d1}; // 這個是啥？？？？？
}

從寫法上來看，我們可以猜測到，d2.m_i 應該拷貝自 d1.m_i, 所以最后的結果是 5。

這沒問題的，但是我們前面說了，初始化一定是調用了某個constructor，那么這里是調用的哪個constructor呢？

答案是：

Data(const Data&amp; other);

形如這樣的參數是這樣的constructor，還特意起了個名字：copy constructor，也就是拷貝構造器。

這個函數接受一個參數，我們起了個名叫other，所以一看就明白了，這個other就是我們想要拷貝的對象。

這個constructor，我們并沒有手動提供，所以這是編譯器自動給我們加上去的。

你可能會問，編譯器怎么知道這個函數內部應該怎樣實現？

對啊，編譯器不知道，他對我們的業務邏輯以及合法性一無所知，所以，編譯器只能提供一個比較基礎的功能：

逐個成員變量拷貝

Data類里只有一個m_i, 所以這里編譯器提供的這個constructor，就是做了大概這樣的事情：

class Data
{
    int m_i;
    public:
    Data(const Data&amp; other):m_i{other.m_i}
    {}
};

像m_i這種基礎類型，就是直接拷貝了。那如果Data類內部有class類型的變量呢：

class Foo
{
    int m_i;
};
class Data
{
    Foo m_f;
};

從形式上看，編譯器給我們提供的默認的拷貝構造器，應該是這樣的:

class Data
{
    Foo m_f;
    public:
    Data(const Data&amp; other):m_f{other.m_f}
    {}
};

雖然m_f不是基本類型的變量，但是形式上來看，和基本變量是一致的。

有必要提一下:

m_f{other.m_f}

這句，實際上繼續調用了Foo類的拷貝構造，所以到這里，那就是Foo類的事情了，與Data類無關了。

總之：

拷貝構造器，就是一個普通的構造器，接收一個參數const T &
拷貝構造器，可以讓我們新產生的對象去拷貝一個已有的老對象，進行初始化
如果我們不提供一個拷貝構造器，那么編譯器會給我們搞一個默認的，逐個成員拷貝的，拷貝構造器

拷貝構造器的調用時機

上面已經說過一種：

Data d1{};
Data d2{d1} // 這里會調用拷貝構造器

事實上，還有別的時候，拷貝構造器會被調用，那就是函數的傳參，和返回值。

class Data{}; // 內部省略
void foo(Data d)
{
    // 一些邏輯
}
void test()
{
    Data d1{};
    foo(d1); // 這一句調用了拷貝構造器
}

函數傳參的時候，如果是值類型參數，那么會調用拷貝構造器。

再來看看函數返回值：

class Data{}; // 內部省略
Data getData()
{
    Data d1{};
    return d1; // 這里也是調用拷貝構造器
}
void test()
{
    Data d{getData()}; // 這里依然調用了拷貝構造器
}

從理論上來看，上面的 Data d{getData()} 這一句應該調用兩次拷貝構造

第一次是函數getData內部的一個局部d1，拷貝給了一個臨時匿名變量
第二次是這個臨時匿名變量拷貝給了變量d

但是如果你在拷貝構造器里加上打印，你會發現，沒有任何東西會打印出來，也就是說，壓根就沒有調用到拷貝構造器。

這不代表上面關于函數的說法是錯的，這只是編譯器的優化而已，因為來來回回的拷貝，實在是沒有必要，所以在某些編譯器認為可以的情況下，編譯器就直接省了。這個不重要，就不具體往里面細說規則了。

自定義拷貝構造器

大部分時候，編譯器生成的這個拷貝構造器就滿足需求了。

但是，如果我們的class包含了動態資源，比如說一個堆上動態的int數組, 默認的拷貝構造器就沒那么好用了：

class Data
{
    int m_size; // 數組的元素個數
    int* m_ptr; // 指向數組首元素的指針
    public:
    Data(int size):m_size{size}
    {
        if (size > 0)
        {
            m_ptr = new int[size]{};
        }
    }
    ~Data()
    {
        delete[] m_ptr;
    }
};

由于這個Data類，擁有一個動態的數組，所以我們提供了一個析構函數，省的這塊內存不會被回收。

然后，我們沒有提供一個拷貝構造器，所以編譯器就給我們添加了一個:

class Data
{
    // 忽略別的代碼，現在只關注拷貝構造器
    Data(const Data&amp; other):m_size{other.m_size}, m_ptr{other.m_ptr}
    {}
};
void test()
{
    Data d1{10}; // 第一句
    Data d2{d1}; // 第二句
}

沒什么懸念，就是按照成員，逐個拷貝，注意，連指針也是直接拷貝。

所以上述test函數中，第二句執行了之后，整個內存應該是這樣的：

這有問題嗎？

有很大的問題，考慮一下test函數執行完畢前，是不是需要對這兩個變量 d1,d2d1, d2d1,d2 進行析構。

你會發現，兩次析構，delete 的資源是一份！！！

一份資源，被delete兩次，這就是所謂double free問題。

還有別的問題嗎？

有。考慮下面的代碼：

void foo(Data d)
{
    // 一些邏輯
}
void test()
{
    Data d1{10};
    foo(d1);
    //
}

上面代碼里，foo執行完之前，會析構這個局部變量d！導致資源已經被delete！

而外面d1和里面的d，指向的是同一份資源，也就是說，foo執行完之后，d1.m_ptr 成為了一個懸掛指針!

沒辦法了，只能靠自己定義拷貝構造器，來解決上面的問題了:

class Data
{
    int m_size; // 動態數組的元素個數
    int* m_ptr; // 指向數據的指針
    public:
    Data(const Data&amp; other){
        if(other.m_ptr)
        {
            auto temp_ptr { new int[other.m_size]};
            std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr + other.m_size, temp_ptr);
            m_ptr = temp_ptr;
            m_size = other.m_size;
        }
        else
        {
            m_ptr = nullptr;
        }
    }
};

上面的拷貝構造器，才是真正的拷貝，這種拷貝一般稱之為深拷貝。

進行深拷貝之后，新對象和老對象，各自都有一份資源，不會再有任何粘連了。

拷貝賦值，copy assignment

想要完成深拷貝，到現在只進行了一半。

剩下的一般就是重載一個操作符，operator=，這是用來解決如下形式的拷貝:

Data d1{10};
Data d2{2};
///
d2 = d1;

這里，兩個變量 d1,d2d1, d2d1,d2 都自己進行了初始化，在經過一堆代碼邏輯之后，此時我們的需求是：

清除 d2 的數據
將 d1 完整的拷貝給 d2

兩個類對象之間用賦值操作符，其實是調用了一個成員函數:operator=。

對，這玩意雖然是操作符，但是操作符本質上也還是函數，這個函數的名字就是operator=。

還是一樣的，如果我們不提供一個自定義的operator=, 那么編譯器會給我們添加一個如下的:

class Data
{
    int m_size;
    int* m_ptr;
    public:
    Data(int size):m_size{size} // 普通構造器
    {
        if (size > 0)
        {
            m_ptr = new int[size]{};
        }
    }
    Data(const Data& other) // 拷貝構造器
    {
        if(other.m_ptr)
        {
            auto temp_ptr { new int[other.m_size]};
            std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr + other.m_size, temp_ptr);
            m_ptr = temp_ptr;
            m_size = other.m_size;
        }
        else
        {
            m_ptr = nullptr;
        }
    }
    ~Data()               // 析構
    {
        delete[] m_ptr;
    }
    ///////// 編譯器自動添加的 operator=
    Data& operator=(const Data& other)
    {
        m_size = other.m_size;
        m_ptr = other.m_ptr;
        return *this;
    }
};

看這個編譯器自動添加的operator=, 是顯而易見能發現問題的：

自身的m_ptr指向的內存永遠無法回收了

自定義 operator=

還是得靠自己來編寫 operator=。

前方警告，終于要點題了，copy and swap 即將出現。

先按照我們的思路來寫一個：

Data& operator=(const Data& other)
{
    // 1. 首先清除本身的資源
    delete[] m_ptr;
    // 2. 拷貝other的資源
    m_size = other.m_size;
    if (other.m_ptr)
    {
        m_ptr = new int[m_size];
        std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr+m_size, m_ptr);
    }
    return *this;
}

如果按照上面的代碼，來看下面的test函數，會發生什么問題：

void test()
{
    Data d1{10};
    d1 = d1; // 自己賦值給自己
}

我們在operator=里面看見，上來直接把整個資源刪除了，GG！

我們要加一個判斷：

Data& operator=(const Data& other)
{
    if (this == &other) // 加了一個判斷
    {
        return *this;
    }
    // 1. 首先清除本身的資源
    delete[] m_ptr;
    // 2. 拷貝other的資源
    m_size = other.m_size;
    if (other.m_ptr)
    {
        m_ptr = new int[m_size]; // 這句有可能異常
        std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr+m_size, m_ptr);
    }
    return *this;
}

關于這里加不加判斷，很多大師級人物也認為不該加：

誰會寫出這種 d1 = d1; 這種代碼？？？加了判斷，徒增煩惱而已。

再來看上面注釋那個， new 在申請新的內存的時候，可能會發生異常，此時出現了一個問題，在文章開頭提及的：

內存合法性

m_size 已經拷貝過來了
而真正的數據沒有拷貝過來，導致這兩個變量，不滿足我們的業務合法性。

所以再改改：

Data& operator=(const Data& other)
{
    // 1. 首先清除本身的資源
    delete[] m_ptr;
    m_ptr = nullptr;
    // 2. 拷貝other的資源
    auto temp_size {other.m_size};
    if (other.m_ptr)
    {
        m_ptr = new int[temp_size];
        std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr+temp_size, m_ptr);
        m_size = temp_size;
    }
    return *this;
}

此時此刻，這個代碼已經沒啥大問題了，除了一樣：

代碼重復了，我們發現在拷貝other的數據的時候，邏輯是和拷貝構造器是一模一樣的

c++里有一個原則:DRY: Do?not?Repeat?Yourself。

別寫重復的代碼！

所以接著往下，copy-and-swap正式出場：

copy-and-swap 語義

首先copy就是指拷貝構造器

我們先來講講swap是個啥。

就是說，我們需要寫一個函數swap，如下：

class Data
{
    // 其余部分省略，將重點放在swap函數
    friend void swap(Data &left, Data& right)
    {
        std::swap(left.m_size, right.m_size);
        std::swap(left.m_ptr, right.m_ptr);
    }
};

這個swap函數很簡單，就是交換兩個已有的Data對象的內部數據，僅此而已。

現在，

copy有了
swap有了

讓我們寫出最終極的operator=:

Data& operator=(Data other)
{
    swap(*this, other);
    return *this;
}

是不是驚呆了，就這么兩句，就行了！

仔細領略一下這個寫法的高深之處：

函數傳參，用的值傳參，而非引用，所以此時會調用拷貝構造器(copy)
函數內部，交換了當前對象，和局部臨時變量other的數據(swap)

你可能會問，沒有清除自身的資源啊？？？

注意，other 是一個局部臨時變量，這個函數結束之前，會進行析構，而析構的時候，other身上已經是被交換過的了，所以other被析構的時候，就是自身資源清除的時候。

妙，妙，妙！！

用如此短的代碼實現了operator=, 實在是妙~

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7159514581763620895

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C++語義copy?and?swap示例詳解_C 語言

目錄

class對象的初始化

constructor 構造器

constructor overload 構造器重載

copy constructor 拷貝構造器

拷貝構造器的調用時機

自定義拷貝構造器

拷貝賦值，copy assignment

自定義 operator=

copy-and-swap 語義

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C++語義copy?and?swap示例詳解_C 語言

目錄

class對象的初始化

constructor 構造器

constructor overload 構造器重載

copy constructor 拷貝構造器

拷貝構造器的調用時機

自定義拷貝構造器

拷貝賦值，copy assignment

自定義 operator=

copy-and-swap 語義

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