swap function & copy-and-swap idiom

Posted 2020-08-15 wangxiaobao的博客

在C++中，众所周知在一个资源管理类（例如含有指向堆内存的指针）中需要重新定义拷贝构造函数、赋值运算符以及析构函数（Big Three），在新标准下还可能需要定义移动构造函数和移动赋值运算符（Big Five）。但实际上，这条规则还可以有一个小扩展。就是在资源管理类中，往往需要重新定义自己的swap函数来作为优化手段。

1. swap函数

首先考察如下例子，假设类HasPtr中含有一个指向string的指针 *ps 和一个int类型值value。

class HasPtr {
    public:
        ...
        ...
        ...
    private:
        string* ps;
        int value;
};

则如果没有定义自己的swap函数的话，调用标准库的std::swap相当于进行如下动作：

HasPtr temp = v1;
v1 = v2;
v2 = temp; 

这里v1中的string拷贝了两次，造成了不必要的效率上的浪费。

其实我们知道，这里swap只需交换指针指向就可以，所以我们可以写出如下自定义版本的swap函数：

class HasPtr {
    friend void swap(HasPtr& lhs, HasPtr& rhs);
    ...
    ...
};

inline
void swap(HasPtr& lhs, HasPtr& rhs) {
    using std::swap;
    swap(lhs.ps, rhs,ps);
    swap(lhs.value, rhs.value);
}

注意： 这里有一点值得注意的是，函数调用的时候应该写成swap，而非std::swap形式。这是因为如果HasPtr含有某一特定类型（如Foo类型）的成员foo，则如果Foo定义了自己的swap函数的swap函数的话，应该调用其自定义的swap函数，否则调用标准库的std::swap。

所以如下形式1是不对的，应该写成形式2所示。

//形式1
void swap(HasPtr& lhs, HasPtr& rhs) {
    std::swap(lhs.foo, rhs.foo);
}
//形式2
void swap(HasPtr& lhs, HasPtr& rhs) {
    using std::swap;
    swap(lhs.foo, rhs.foo);
}

 

2. copy and swap idiom

定义了swap函数的类常用swap来定义他们的赋值运算符，即copy and swap技术。

这样做可以做到天然的异常安全并且正确处理自我赋值问题，是简洁高效安全的写法。（为什么其他方法存在异常安全或自我赋值问题可以参加effective c++条款11）

上述例子使用copy and swap技术定义赋值运算符如下：

HasPtr& HasPtr::operator=(HasPtr rhs) {
    swap(*this, rhs);
    return *this;
}

可以看出，不同于一般的赋值运算符，其参数采用传值方式，而非引用。它与如下代码功能上等价，但效率上更高（将copy动作移至函数参数构造阶段）

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr& rhs) {
    HasPtr temp(rhs);
    swap(*this, temp);
    return *this;
}

这两种方式均可以完美解决异常安全和自我赋值问题。第一种方法被C++ primer和C++编程规范所推荐，Scott Meyers在effective c++中表达了一些对其可读性的忧虑，但如果掌握好copy and swap idiom，还是应该推荐采用第一种写法生成更高效的代码。

 

参考资料：

1.Stanley B. Lippman / Josée Lajoie / Barbara E. Moo,  C++ Primer 中文版（第 5 版）[M].  电子工业出版社,2013

2.Meyers S. Effective C++[M]. Addison Wesley, 2005.

3.Sutter H, Alexandrescu A. C++ Coding Standards: 101 Rules, Guidelines, and Best Practices (C++ in Depth Series)[M]. Addison-Wesley Professional, 2004.

4.关于swap and copy idiom问题在stackoverflow上的解答： http://stackoverflow.com/questions/3279543/what-is-the-copy-and-swap-idiom