c++ - 什么是复制和交换成语？

Question

这个成语是什么，应该在什么时候使用？它解决了哪些问题？使用 C++11 时习语会发生变化吗？

尽管在很多地方都提到过，但我们没有任何单一的“它是什么”问题和答案，所以在这里。以下是之前提到的地方的部分列表：

• 你最喜欢的 C++ 编码风格习语是什么：Copy-swap
• C ++中的复制构造函数和=运算符重载：通用函数可能吗？
• 什么是复制省略以及它如何优化复制和交换习语
• C++：动态分配对象数组？

Answer 1

概述

为什么我们需要复制和交换习语？

任何管理资源的类（包装器，如智能指针）都需要实现三巨头。虽然复制构造函数和析构函数的目标和实现很简单，但复制赋值运算符可以说是最细微和最困难的。应该怎么做？需要避免哪些陷阱？

复制和交换习语是解决方案，它优雅地协助赋值运算符实现两件事：避免代码重复，并提供强大的异常保证。

它是如何工作的？

从概念上讲，它通过使用复制构造函数的功能来创建数据的本地副本，然后使用swap函数获取复制的数据，将旧数据与新数据交换。然后临时副本销毁，并带走旧数据。我们留下了新数据的副本。

为了使用 copy-and-swap 习惯用法，我们需要三样东西：一个工作的复制构造函数、一个工作的析构函数（两者都是任何包装器的基础，所以无论如何都应该是完整的）和一个swap函数。

交换函数是一个非抛出函数，它交换一个类的两个对象，成员对成员。我们可能想使用std::swap而不是提供我们自己的，但这是不可能的；std::swap在其实现中使用复制构造函数和复制赋值运算符，我们最终会尝试根据自身定义赋值运算符！

（不仅如此，不合格的调用swap将使用我们的自定义交换操作符，跳过我们类的不必要的构造和破坏std::swap。）

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深入的解释

目标

让我们考虑一个具体的案例。我们想在一个无用的类中管理一个动态数组。我们从一个有效的构造函数、复制构造函数和析构函数开始：

#include <algorithm> // std::copy
#include <cstddef> // std::size_t

class dumb_array
{
public:
    // (default) constructor
    dumb_array(std::size_t size = 0)
        : mSize(size),
          mArray(mSize ? new int[mSize]() : nullptr)
    {
    }

    // copy-constructor
    dumb_array(const dumb_array& other)
        : mSize(other.mSize),
          mArray(mSize ? new int[mSize] : nullptr)
    {
        // note that this is non-throwing, because of the data
        // types being used; more attention to detail with regards
        // to exceptions must be given in a more general case, however
        std::copy(other.mArray, other.mArray + mSize, mArray);
    }

    // destructor
    ~dumb_array()
    {
        delete [] mArray;
    }

private:
    std::size_t mSize;
    int* mArray;
};

这个类几乎成功地管理了数组，但它需要operator=正常工作。

失败的解决方案

下面是一个幼稚的实现的样子：

// the hard part
dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
    if (this != &other) // (1)
    {
        // get rid of the old data...
        delete [] mArray; // (2)
        mArray = nullptr; // (2) *(see footnote for rationale)

        // ...and put in the new
        mSize = other.mSize; // (3)
        mArray = mSize ? new int[mSize] : nullptr; // (3)
        std::copy(other.mArray, other.mArray + mSize, mArray); // (3)
    }

    return *this;
}

我们说我们已经完成了；这现在管理一个数组，没有泄漏。但是，它存在三个问题，在代码中按顺序标记为(n).

1. 首先是自我分配测试。
   这个检查有两个目的：它是一种简单的方法，可以防止我们在自赋值时运行不必要的代码，它可以保护我们免受细微的错误（例如删除数组只是为了尝试复制它）。但在所有其他情况下，它只会降低程序的速度，并在代码中充当噪音；自分配很少发生，所以大多数时候这种检查是浪费。
   如果操作员可以在没有它的情况下正常工作会更好。

2. 二是它只提供了一个基本的异常保证。如果new int[mSize]失败，*this将被修改。（即，大小错误并且数据消失了！）
   为了获得强大的异常保证，它需要类似于：

    dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
    {
        if (this != &other) // (1)
        {
            // get the new data ready before we replace the old
            std::size_t newSize = other.mSize;
            int* newArray = newSize ? new int[newSize]() : nullptr; // (3)
            std::copy(other.mArray, other.mArray + newSize, newArray); // (3)
   
            // replace the old data (all are non-throwing)
            delete [] mArray;
            mSize = newSize;
            mArray = newArray;
        }
   
        return *this;
    }
   

3. 代码扩展了！这就引出了第三个问题：代码重复。

我们的赋值运算符有效地复制了我们已经在其他地方编写的所有代码，这是一件可怕的事情。

在我们的例子中，它的核心只有两行（分配和复制），但是对于更复杂的资源，这个代码膨胀可能会很麻烦。我们应该努力永不重复自己。

（有人可能想知道：如果需要这么多代码来正确管理一个资源，如果我的班级管理多个资源怎么办？
虽然这似乎是一个有效的问题，而且确实需要非平凡的try/catch子句，但这是一个非-问题。
那是因为一个类应该只管理一个资源！）

一个成功的解决方案

如前所述，复制和交换习语将解决所有这些问题。但是现在，我们拥有除了一个swap功能之外的所有要求。swap虽然三法则成功地包含了我们的复制构造函数、赋值运算符和析构函数，但它确实应该被称为“三巨头半”：任何时候你的类管理一个资源，提供一个函数也是有意义的.

我们需要为我们的类添加交换功能，我们这样做如下†：

class dumb_array
{
public:
    // ...

    friend void swap(dumb_array& first, dumb_array& second) // nothrow
    {
        // enable ADL (not necessary in our case, but good practice)
        using std::swap;

        // by swapping the members of two objects,
        // the two objects are effectively swapped
        swap(first.mSize, second.mSize);
        swap(first.mArray, second.mArray);
    }

    // ...
};

（这里是解释为什么public friend swap。）现在我们不仅可以交换我们dumb_array的，而且交换通常可以更有效；它只是交换指针和大小，而不是分配和复制整个数组。除了功能和效率方面的好处之外，我们现在已经准备好实现复制和交换的习惯用法了。

事不宜迟，我们的赋值运算符是：

dumb_array& operator=(dumb_array other) // (1)
{
    swap(*this, other); // (2)

    return *this;
}

就是这样！一口气，所有三个问题都被优雅地解决了。

为什么它有效？

我们首先注意到一个重要的选择：参数参数是按值获取的。虽然人们可以很容易地做到以下几点（事实上，许多成语的幼稚实现都是这样做的）：

dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
    dumb_array temp(other);
    swap(*this, temp);

    return *this;
}

我们失去了一个重要的优化机会。不仅如此，这种选择在 C++11 中也很关键，后面会讨论。（一般来说，一个非常有用的指导方针如下：如果您要在函数中复制某些内容，请让编译器在参数列表中完成。‡）

无论哪种方式，这种获取资源的方法都是消除代码重复的关键：我们可以使用来自复制构造函数的代码进行复制，而无需重复任何部分。既然副本已经制作好了，我们就可以进行交换了。

请注意，在进入函数时，所有新数据都已分配、复制并准备好使用。这就是免费为我们提供强大的异常保证的原因：如果副本的构造失败，我们甚至不会进入函数，因此不可能更改*this. （我们之前手动为强异常保证所做的工作，现在编译器正在为我们做；怎么样。）

在这一点上，我们是无家可归的，因为swap是非投掷的。我们将当前数据与复制的数据交换，安全地更改我们的状态，并将旧数据放入临时数据中。当函数返回时，旧数据被释放。（参数的作用域在哪里结束并调用它的析构函数。）

因为成语没有重复代码，所以我们不能在操作符中引入错误。请注意，这意味着我们不再需要自分配检查，从而允许对operator=. （此外，我们不再对非自我分配进行性能惩罚。）

这就是复制和交换的习语。

那么 C++11 呢？

C++ 的下一个版本，C++11，对我们管理资源的方式做出了一个非常重要的改变：三法则现在是四法则（半）。为什么？因为我们不仅需要能够复制构造我们的资源，还需要移动构造它。

幸运的是，这很容易：

class dumb_array
{
public:
    // ...

    // move constructor
    dumb_array(dumb_array&& other) noexcept ††
        : dumb_array() // initialize via default constructor, C++11 only
    {
        swap(*this, other);
    }

    // ...
};

这里发生了什么？回想一下移动构造的目标：从类的另一个实例中获取资源，使其处于保证可分配和可破坏的状态。

所以我们所做的很简单：通过默认构造函数（C++11 的一个特性）进行初始化，然后用other;进行交换。我们知道可以安全地分配和销毁我们类的默认构造实例，因此我们知道other在交换之后也可以这样做。

（请注意，一些编译器不支持构造函数委托；在这种情况下，我们必须手动默认构造类。这是一个不幸但幸运的是微不足道的任务。）

为什么这行得通？

这是我们需要对我们的班级做出的唯一改变，那么为什么它会起作用呢？请记住我们做出的使参数成为值而不是引用的重要决定：

dumb_array& operator=(dumb_array other); // (1)

现在，如果other使用右值初始化，它将是 move-constructed。完美的。就像 C++03 让我们通过按值获取参数来重用我们的复制构造函数功能一样，C++11 也会在适当的时候自动选择移动构造函数。（当然，正如之前链接的文章中提到的，值的复制/移动可能会被完全省略。）

复制和交换的习语就这样结束了。

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脚注

*为什么我们设置mArray为null？因为如果运算符中的任何进一步代码抛出，dumb_array可能会调用析构函数；如果在没有将其设置为 null 的情况下发生这种情况，我们将尝试删除已被删除的内存！我们通过将其设置为 null 来避免这种情况，因为删除 null 是无操作的。

†还有其他主张，我们应该专门std::swap针对我们的类型，提供一个类内swap以及一个 free-functionswap等。但这都是不必要的：任何正确的使用都swap将通过一个不合格的调用，我们的函数将是通过ADL找到。一个功能就可以了。

‡原因很简单：一旦您拥有了自己的资源，您就可以在任何需要的地方交换和/或移动它（C++11）。通过在参数列表中进行复制，您可以最大限度地优化。

††移动构造函数通常应该是，否则即使移动有意义noexcept，某些代码（例如调整大小逻辑）也会使用复制构造函数。std::vector当然，只有在里面的代码没有抛出异常的情况下才标记为 noexcept 。

Answer 2

赋值的核心是两个步骤：拆除对象的旧状态并构建其新状态作为其他对象状态的副本。

基本上，这就是析构函数和复制构造函数所做的，所以第一个想法是将工作委托给它们。但是，由于破坏不能失败，而构造可能会失败，我们实际上希望以相反的方式进行：首先执行建设性部分，如果成功，则执行破坏性部分。copy-and-swap 习惯用法就是这样做的：它首先调用一个类的复制构造函数来创建一个临时对象，然后将其数据与临时对象交换，然后让临时对象的析构函数销毁旧状态。
自从swap()应该永远不会失败，唯一可能失败的部分是复制构造。这是首先执行的，如果失败，目标对象中的任何内容都不会更改。

在其改进的形式中，复制和交换是通过初始化赋值运算符的（非引用）参数来执行复制来实现的：

T& operator=(T tmp)
{
    this->swap(tmp);
    return *this;
}

Answer 3

已经有一些很好的答案。我将主要关注我认为他们缺乏的东西——用复制和交换成语解释“缺点”....

什么是复制和交换成语？

一种根据交换函数实现赋值运算符的方法：

X& operator=(X rhs)
{
    swap(rhs);
    return *this;
}

基本思想是：

• 分配给对象最容易出错的部分是确保获取新状态所需的任何资源（例如内存、描述符）

• 如果制作了新值的副本，则可以在修改对象的当前状态（即）之前尝试获取，这就是为什么被值（即复制）而不是引用接受的原因*thisrhs

• 交换本地副本的状态，rhs并且*this通常相对容易做到没有潜在的失败/异常，因为本地副本之后不需要任何特定状态（只需要适合析构函数运行的状态，就像被移动的对象一样来自 >= C++11)

什么时候应该使用它？（它解决了哪些问题[/create]？）

• 当您希望被分配对象不受抛出异常的分配影响时，假设您已经或可以编写swap具有强异常保证的对象，并且理想情况下不会失败/ throw..†</p>

• 当您想要一种干净、易于理解、健壮的方式来根据（更简单的）复制构造swap函数和析构函数定义赋值运算符时。

  • 作为复制和交换完成的自我分配避免了经常被忽视的边缘情况。‡

• 当在分配期间有一个额外的临时对象造成的任何性能损失或暂时更高的资源使用对您的应用程序不重要时。⁂</li>

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†swap抛出：通常可以可靠地交换对象通过指针跟踪的数据成员，但非指针数据成员没有无抛出交换，或者交换必须实现为X tmp = lhs; lhs = rhs; rhs = tmp;复制构造或赋值可能会抛出，仍然有可能失败，使某些数据成员被交换而另一些则不被交换。std::string正如詹姆斯对另一个答案的评论，这种潜力甚至适用于 C++03 ：

@wilhelmtell：在 C++03 中，没有提及 std::string::swap （由 std::swap 调用）可能引发的异常。在 C++0x 中，std::string::swap 是 noexcept 并且不能抛出异常。– 詹姆斯麦克内利斯 2010 年 12 月 22 日 15:24

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‡ 当从一个不同的对象进行赋值时看起来很正常的赋值运算符实现很容易因自赋值而失败。虽然客户端代码甚至会尝试自赋值似乎是不可想象的，但它在容器上的算法操作期间相对容易发生，其中x = f(x);代码f（可能仅适用于某些#ifdef分支）是宏 ala#define f(x) x或函数返回对 的引用x，甚至（可能效率低下但简洁）代码，如x = c1 ? x * 2 : c2 ? x / 2 : x;）。例如：

struct X
{
    T* p_;
    size_t size_;
    X& operator=(const X& rhs)
    {
        delete[] p_;  // OUCH!
        p_ = new T[size_ = rhs.size_];
        std::copy(p_, rhs.p_, rhs.p_ + rhs.size_);
    }
    ...
};

在自分配时，上面的代码 deletex.p_;指向p_一个新分配的堆区域，然后尝试读取其中的未初始化数据（未定义行为），如果这没有做任何太奇怪的事情，则copy尝试对每个只是-破坏'T'！

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⁂ 由于使用了额外的临时变量（当操作符的参数是复制构造时），复制和交换惯用语可能会导致效率低下或限制：

struct Client
{
    IP_Address ip_address_;
    int socket_;
    X(const X& rhs)
      : ip_address_(rhs.ip_address_), socket_(connect(rhs.ip_address_))
    { }
};

在这里，手写Client::operator=可能会检查是否*this已经连接到同一服务器rhs（如果有用，可能发送“重置”代码），而复制和交换方法将调用可能被写入打开的复制构造函数一个不同的套接字连接，然后关闭原来的连接。这不仅意味着远程网络交互而不是简单的进程内变量复制，它还可能违反客户端或服务器对套接字资源或连接的限制。（当然这个类有一个非常可怕的界面，但那是另一回事；-P）。

Answer 4

这个答案更像是对上述答案的补充和轻微修改。

在 Visual Studio 的某些版本（可能还有其他编译器）中，存在一个非常烦人且没有意义的错误。因此，如果您swap像这样声明/定义您的函数：

friend void swap(A& first, A& second) {

    std::swap(first.size, second.size);
    std::swap(first.arr, second.arr);

}

...当您调用该swap函数时，编译器会对您大喊大叫：

这与friend被调用的函数和this作为参数传递的对象有关。

---

解决此问题的一种方法是不使用friend关键字并重新定义swap函数：

void swap(A& other) {

    std::swap(size, other.size);
    std::swap(arr, other.arr);

}

这一次，您只需调用swap并传入other，从而使编译器满意：

---

毕竟，您不需要使用friend函数来交换 2 个对象。swap创建一个具有一个other对象作为参数的成员函数同样有意义。

您已经可以访问this对象，因此将其作为参数传入在技术上是多余的。

Answer 5

当您处理 C++11 风格的分配器感知容器时，我想补充一句警告。交换和赋值有微妙的不同语义。

具体来说，让我们考虑一个容器std::vector<T, A>，其中A是一些有状态的分配器类型，我们将比较以下函数：

void fs(std::vector<T, A> & a, std::vector<T, A> & b)
{ 
    a.swap(b);
    b.clear(); // not important what you do with b
}

void fm(std::vector<T, A> & a, std::vector<T, A> & b)
{
    a = std::move(b);
}

这两个函数的目的fs是fm给出最初a的状态。b但是，有一个隐藏的问题：如果 会发生什么a.get_allocator() != b.get_allocator()？答案是：视情况而定。让我们写AT = std::allocator_traits<A>。

• 如果AT::propagate_on_container_move_assignment是std::true_type，则使用 的值fm重新分配分配器，否则不分配，并继续使用其原始分配器。在这种情况下，需要单独交换数据元素，因为 和 的存储不兼容。ab.get_allocator()aab

• 如果AT::propagate_on_container_swap是std::true_type，fs则以预期的方式交换数据和分配器。

• 如果AT::propagate_on_container_swap是std::false_type，那么我们需要动态检查。

  • 如果a.get_allocator() == b.get_allocator()，则两个容器使用兼容的存储，并且交换以通常的方式进行。
  • 但是，如果a.get_allocator() != b.get_allocator()，则程序具有未定义的行为（参见 [container.requirements.general/8]。

结果是，一旦您的容器开始支持有状态分配器，交换就成为 C++11 中的一项重要操作。这是一个有点“高级用例”，但并非完全不可能，因为移动优化通常只有在您的类管理资源时才会变得有趣，而内存是最受欢迎的资源之一。