C++ 之 重载赋值操作符

Widget 中，有一个 Bitmap 型指针  pb

class Bitmap;

class Widget {
private:
    Bitmap *pb; // ptr to a heap-allocated object
};

1  重载 “op=” 

在 Widget 类中重载 "=" 时，需考虑以下方面

1.1  链式赋值

整数 15 首先赋值给 z，得到新值的 z 再赋值给 y，接着得到新值的 y 最后再赋值给 x，如下所示：

int x, y, z;

x = y = z = ; // chain of assignments

相当于

x = (y = (z = ));

为了实现链式赋值，函数的返回值须是一个实例自身的引用，也即 *this； 同理，重载其它的复合赋值运算符 (如 +=, -=, *=, /=)，也必须在函数结束前返回 *this

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)
{
    delete pb;  // stop using current bitmap

    pb = new Bitmap(*rhs.pb);  // start using a copy of rhs's bitmap

    return *this;
}

1.2  自赋值

其次要考虑的是，关于自赋值的情况，虽然显式的自赋值并不常见，但潜在的隐式自赋值仍需注意

Widget  w;
  ...
w = w;  // explict assignment to self

a[i] = a[j];  // potential assignment to self

*px = *py;  // potential assignment to self

解决方法是，在函数内加一个 if 语句，判断当前实例 (*this) 和传入的参数 rhs 是不是同一个实例，也即判断是不是自赋值的情况

如果是自赋值，则不作任何处理，直接返回 *this；如果不是自赋值，首先释放实例自身已有内存，然后再分配新的内存，如下所示：

Widget& Widget::operator=(cosnt Widget& rhs)
{
    if (this == &rhs) return *this; // identity test: if a self-assignment, do nothing

    delete pb;
    pb = new Bitmap(*rhs.pb);

    return *this;
}

1.3  异常安全

上例中，假如在分配内存时，因内存不足或 Bitmap 的拷贝构造函数异常，导致 "new Bitmap" 产生异常 (exception)，则 pb 指向的是一个已经被删除的 Bitmap

考虑异常安全，一个方法是先用 new 分配新内容，再用 delete 释放如下代码的内容，如下所示：当 "new Bitmap" 抛出一个异常时，pb 指针并不会改变

Widget& Widget::operator=(cosnt Widget& rhs)
{
    if (this == &rhs) return *this; // identity test
    Bitmap *pOrig = pb; // remember original pb

    pb = new Bitmap(*rhs.pb); // 注意："." 的优先级高于 "*"
    delete pOrig;  // delete the original pb

    return *this;
}

如果不考虑效率的问题，那么即使没有对自赋值进行判断的 if 语句，其后面的语句也足以应付自赋值的问题

2  拷贝-交换

上例中，因为效率的问题，保留了 if 语句，但实际上，因为自赋值出现的概率很低，所以上述代码看似“高效”，其实并不然

最常用的兼顾自赋值和异常安全 (exception safety) 的方法是 “拷贝-交换” (copy-and-swap)，如下所示：

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)
{
    Widget temp(rhs);  // make a copy of rhs's data

    swap(temp); // swap *this's data with the copy's

    return *this;
}

2.1  std::swap

std::swap 属于标准算法，其实现如下：

namespace std 
{
    template<typename T>    // typical implementation of std::swap
    void swap(T& a, T& b)   // swaps a's and b's values
    {
        T temp(a);
        a = b;
        b = temp;
    }
}

以上有三个拷贝：首先拷贝 a 给 temp，然后拷贝 b 给 a，最后拷贝 temp 给 b

2.2  Widget::swap

对于 Widget 类，实现两个 Widget 对象的值交换，只需互换 Bitmap *pb 即可，这称为 pimpl (pointer to implementation)

首先，定义一个 swap 公有成员函数，如下：

void Widget::swap(Widget& other)
{
    using std::swap;
    swap(pb, other.pb);  // to swap Widgets, swap their pb pointers
}

然后，模板特例化 std::swap 函数，调用上面的 swap 函数，实现指针互换

namespace std
{
    template<>     // revised specialization of std::swap
    void swap<Widget>(Widget& a, Widget& b)
    {
        a.swap(b); // to swap Widgets, call their swap member function
    }
}

3  智能指针

综上所述，重载赋值操作符，需要考虑链式赋值、自赋值和异常安全，颇为繁琐

一个简化方法是，在 Widget 类中声明一个智能指针

class Widget {
    ...
private:
    std::unique_ptr<Bitmap> pBitmap; // smart pointer
};

此时，重载 "op="，则只需考虑链式赋值

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs) // copy operator=
{
    *pBitmap = *rhs.pBitmap;  // "." 的优先级高于 "*"
    return *this;
}

理论上应该可行，尚未在实际项目中验证 (留待后续测试...)

小结：

1) 重载类赋值操作符，首先考虑链式赋值 -- 函数返回 *this，其次考虑自赋值和异常安全 -- “拷贝-交换”

2) 考虑写一个不抛异常的 swap 函数 (consider support for a non-throwing swap)

3) 被重载的类赋值操作符 "op=" 必须定义为成员函数，其它的复合赋值操作符 (如 "+=", "-=" 等) 应该被定义为成员函数

4) 类中使用智能指针，可大大简化重载赋值操作符 “op=” 的实现

参考资料：

<Effective C++_3rd> item 10, 11, 25

<剑指 offer> 2.2.1

<Effective Modern C++> item 22