C++ 惯用法之 Copy-Swap 拷贝交换

C++ 惯用法之 Copy-Swap 拷贝交换

这是“C++ 惯用法”合集的第 3 篇，前面 2 篇分别介绍了 RAII 和 PIMPL 两种惯用法：

• RAII: Resouce Acquistion Is Initialization
• PIMPL：Pointer To Implemetation

正式介绍 Copy-Swap 之前，先看下《剑指 Offer》里的第️题：

如下为类型 CMyString 的声明，请为该类型添加赋值运算符函数。

class CMyString {
public:
  CMyString(char* pData = nullptr);
  CMyString(const CMyString& str);
  ~CMyString();

private:
  char* m_pData;
};

作为面试题，这道题目虽然基础，但考察点颇多，有区分度：

• 返回值类型应为引用类型，否则将无法支持形如 s3 = s2 = s1 的连续赋值
• 形参类型应为 const 引用类型
• 无资源泄露，正确释放赋值运算符左侧的对象的资源
• 自赋值安全，能够正确处理 s1 = s1 的语句
• 考虑异常安全

解法 1

CMyString& operator=(const CMyString& str)
{
    if(this == &str)
        return *this;

    delete[] m_pData;
    m_pData = nullptr;
    m_pData = new char[strlen(str.m_pData) + 1];
    strcpy(m_pData, str.m_pData);
    return *this;
}

上面代码有些细节需要注意：

• 删除数组使用 delete[] 运算符
• strlen 的结果不含字符串末尾的结束符 \0
• strcpy 会拷贝结束符 \0

解法 1 满足考察点中除异常安全外的所有要求：new 的时候可能由于内存不足抛异常，但此时赋值运算符左侧的的对象已被释放，m_pData 为空指针，导致左侧对象处于无效状态。

解决方案：只要先 new 分配空间，再 delete 释放原来的空间即可。这样可以保证即使 new 失败抛异常，赋值运算符左侧对象也尚未修改，仍处于有效状态。

解法 2

《剑指 Offer》中给出了更好的解法：先创建赋值运算符右侧对象的一个临时副本，然后交换赋值运算符左侧对象和该临时副本的 m_pData，当临时对象 strTemp 离开作用域时，自动调用其析构函数，释放 m_pData 指向的资源（即赋值运算符左侧对象原来的内存）：

CMyString& operator=(const CMyStirng& str)
{
    if(this != &str)
    {
        CMyString strTemp(str);
        char* pTemp = m_pData;
        m_pData = strTemp.m_pData;
        strTemp.m_pData = pTemp;
    }
    return *this;
}

解法 2 巧妙地利用了类原本的拷贝构造、析构函数自动进行资源管理，同时又不涉及底层的 new[]/delete[] 操作，可读性更强，也不容易出错。

解法 2 是 Copy-Swap 的雏形。C++ 中管理资源类通常会定义自己的 swap 函数，与其他拷贝控制成员（拷贝/移动构造、拷贝/移动赋值运算符、析构）不同，swap 不是必须，但却是重要的优化手段，以下是使用 Copy-Swap 惯用法的解法：

解法 3

class CMyString {
    friend void Swap(CMyString& lhs, CMyString& rhs) noexcept
    {
        // 对 CMyString 的成员逐一交换
        std::swap(lhs.m_pData, rhs.m_pData);
    }
    // ...
};

CMyString(CMyString&& str) : CMyString()
{
    Swap(*this, str);
}

CMyString& operator=(CMyStirng str)
{
    Swap(*this, str);
    return *this;
}

这里有几点需要注意：

• 拷贝赋值运算符的形参类型不再是 const 引用，因为 Copy-Swap 需要先对赋值运算符右侧对象进行拷贝，这里直接使用值传递。这样一来，也使得 Copy-Swap 天然地异常安全、自赋值安全。
  • 异常安全：进入函数 operator=() 之前，先进行拷贝
  • 自赋值安全：形参是一个新创建的临时对象，永远不可能是对象自身
• 不需要额外实现移动赋值运算符：如果赋值运算符右侧是一个右值，则自动调用 CMyString 的移动构造来构造形参

这还没完...

标准库 std::swap 及 ADL

C++ 标准库也提供了 swap 函数，理论上需要一次拷贝，两次赋值：

void swap(CMyString& lhs, CMyString& rhs)
{
    CMyString tmp(lhs);
    lhs = rhs;
    rhs = tmp;
}

其中 CMyString tmp(lhs) 会调用 CMyString 的拷贝构造进行深拷贝，效率上不如 CMyString 类自己实现的直接交换指针的效率高。

在进行 swap(v1, v2) 的调用时，如果类实现了自己的 swap 版本，其匹配程度优于标准库的版本。如果类没有定义自己的 swap，则使用标准库的 swap。这种查找匹配方式被称为 ADL（Argument-Dependent Lookup）。

注意不能使用 std::swap 形式，因为这样会强制使用标准库的 swap。正确的做法是提前使用 using std::swap 声明，而后续所有的 swap 都应该是不加限制的（这一点刚好和 std::move 相反）：

void swap(Bar& lhs, Bar& rhs)
{
    using std::swap;
    swap(lhs.m1, rhs.m1);
    swap(lhs.m2, rhs.m2);
    swap(lhs.m3, rhs.m3);
}

最终的结果

class CMyString {
    friend void swap(CMyString& lhs, CMyString& rhs) noexcept
    {
        // 对 CMyString 的成员逐一交换
        using std::swap;
        swap(lhs.m_pData, rhs.m_pData);
    }
    // ...
};

CMyString(CMyString&& str) : CMyString()
{
    swap(*this, str);
}

CMyString& operator=(CMyStirng str)
{
    swap(*this, str);
    return *this;
}