拷贝控制2(拷贝控制和资源管理/交换操作)

Posted 2020-10-23 ygeloutingyu

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了拷贝控制2(拷贝控制和资源管理/交换操作)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

为了定义拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，我们首先必须确认此类型对象的拷贝语义。通常可以定义拷贝操作，使类的行为看起来像一个值或者像一个指针(即所谓的深拷贝和浅拷贝)

类的行为像一个值，意味着它应该也有自己的状态。当我们拷贝一个像值的对象时，副本和原对象是完全独立的。改变副本不会对原对象有任何影响，反之亦然

行为像指针的类则共享状态。当我们拷贝一个这种类的对象时，副本和原对象使用相同的底层数据。改变副本也会改变原对象，反之亦然

在我们使用过的标准库类中，标准库容器和 string 类的行为像一个值。shared_ptr 提供类似指针的行为。IO 类型和 unique_ptr 不允许拷贝或赋值，因此它们的行为既不像值也不像指针

行为像值的类：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class HasPtr{
 5 public:
 6     HasPtr(const std::string &s = std::string()) : ps(new std::string(s)), i(0) {}
 7     HasPtr(const HasPtr &p) : ps(new std::string(*p.ps)), i(p.i) {}
 8     HasPtr& operator=(const HasPtr&);
 9     ~HasPtr(){
10         delete ps;
11     }
12 
13     ostream& print(ostream &os){
14         os << i << " " << *ps << " " << ps;
15         return os;
16     }
17 
18 private:
19     std::string *ps;
20     int i;
21 };
22 
23 HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){
24     auto newp = new string(*rhs.ps);//为了避免两个对象中ps指针相同时出错先将rhs.ps中的内容存放到一个新开辟的空间newp中
25     delete ps;//释放旧内存
26     ps = newp;
27     i = rhs.i;
28     return *this;
29 }
30 
31 int main(void){
32     HasPtr s1("hello");
33     HasPtr s2 = s1;
34     HasPtr s3;
35     s3 = s1;
36 
37     s1.print(cout) << endl;
38     s2.print(cout) << endl;
39     s3.print(cout) << endl;
40 
41 // 输出：
42 //     0 hello 0x2a811d8
43 //     0 hello 0x2a811a8
44 //     0 hello 0x2a81198
45 
46     return 0;
47 }

View Code

注意：在赋值运算符应该要防范自赋值的情况：

1 HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){
2     delete ps;//如果rhs和本对象是同一个对象，则rhs.ps将成为一个空悬指针
3     ps = new string(*rhs.ps);//错误,我们试图解引用一个空悬指针
4     i = rhs.i;
5     return *this;
6 }

View Code

行为像指针的类：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class HasPtr{
 5 public:
 6     HasPtr(const std::string &s = std::string()) : 
 7         ps(new std::string(s)), i(0), use(new std::size_t(1)) {}//直接初始化时引用计数为1
 8     HasPtr(const HasPtr &p) : ps(p.ps), i(p.i), use(p.use) {
 9         ++*use;//引用计数加一
10     }
11     HasPtr& operator=(const HasPtr&);
12     ~HasPtr();
13 
14     ostream& print(ostream &os){
15         os << *use << " " << i << " " << *ps << " " << ps;
16         return os;
17     }
18 
19 private:
20     std::string *ps;
21     int i;
22     std::size_t *use;//记录当前有多少个对象共享*ps成员
23 };
24 
25 HasPtr::~HasPtr() {
26     if(--*use == 0){//每析构一个HasPtr对象引用计数减一
27         delete ps;//如果引用计数为0,释放ps和use所指的内存
28         delete use;
29     }
30 }
31 
32 HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){
33     ++*rhs.use;//递增右侧运算对象的引用计数
34     if(--*use == 0){//然后递减本对象的引用计数
35         delete ps;//如果没有其它用户
36         delete use;//释放本对象分配的内存
37     }
38     ps = rhs.ps;
39     i = rhs.i;
40     use = rhs.use;
41     return *this;
42 }
43 
44 int main(void){
45     HasPtr s1("hello");
46     HasPtr s2 = s1;
47     HasPtr s3;
48     s3 = s1;
49     HasPtr s4("word");
50 
51     s1.print(cout) << endl;
52     s2.print(cout) << endl;
53     s3.print(cout) << endl;
54     s4.print(cout) << endl;
55 
56 // 输出：
57 // 3 0 hello 0x2d31218
58 // 3 0 hello 0x2d31218
59 // 3 0 hello 0x2d31218
60 // 1 0 word 0x2b610c8
61 
62     return 0;
63 }

View Code

注意：为了实现类似于 shared_ptr 的引用计数功能，我们可以将计数器保持到动态内存中，指向相同 ps 对象的 HasPtr 也指向相同的 use 对象。这里我们不能使用 static 来实现引用计数，因为它是属于类本身的，这意味着所有 HasPtr 类的对象中 use 值都是相等的，并且我们将无法做到给赋值运算符右侧对象 use 加一，左侧对象 use 减一：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class HasPtr{
 5 public:
 6     HasPtr(const std::string &s = std::string()) : 
 7         ps(new std::string(s)), i(0) {}//直接初始化时引用计数为1
 8     HasPtr(const HasPtr &p) : ps(p.ps), i(p.i) {
 9         ++use;//引用计数加一
10     }
11     HasPtr& operator=(const HasPtr&);
12     ~HasPtr();
13 
14     ostream& print(ostream &os){
15         os << use << " " << i << " " << *ps << " " << ps;
16         return os;
17     }
18 
19 private:
20     std::string *ps;
21     int i;
22     static std::size_t use;//记录当前有多少个对象共享*ps成员
23 };
24 
25 HasPtr::~HasPtr() {
26     if(--use == 0){//每析构一个HasPtr对象引用计数减一
27         delete ps;//如果引用计数为0,释放ps所指的内存
28     }
29 }
30 
31 HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){
32     ++rhs.use;//递增右侧运算对象的引用计数
33     if(--use == 0){//然后递减本对象的引用计数
34         delete ps;//如果没有其它用户,释放本对象分配的内存
35     }
36     ps = rhs.ps;
37     i = rhs.i;
38     use = rhs.use;
39     return *this;
40 }
41 
42 size_t HasPtr::use = 1;
43 
44 int main(void){
45     HasPtr s1("hello");
46     HasPtr s2 = s1;
47     HasPtr s3;
48     s3 = s1;
49     HasPtr s4("word");
50 
51     s1.print(cout) << endl;
52     s2.print(cout) << endl;
53     s3.print(cout) << endl;
54     s4.print(cout) << endl;
55 
56 // 输出：
57 // 2 0 hello 0x2be1248
58 // 2 0 hello 0x2be1248
59 // 2 0 hello 0x2be1248
60 // 2 0 word 0x2be10b8
61 
62     return 0;
63 }

View Code

交换操作：

库函数 swap 的实现依赖于类的拷贝构造函数和赋值运算符。如，对值语义的 HasPtr 类对象使用库函数 swap：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class HasPtr{
 5 public:
 6     HasPtr(const std::string &s = std::string()) : ps(new std::string(s)), i(0) {}
 7     HasPtr(const HasPtr &p) : ps(new std::string(*p.ps)), i(p.i) {}
 8     HasPtr& operator=(const HasPtr&);
 9     ~HasPtr(){
10         delete ps;
11     }
12 
13     ostream& print(ostream &os){
14         os << i << " " << *ps << " " << ps;
15         return os;
16     }
17 
18 private:
19     std::string *ps;
20     int i;
21 };
22 
23 HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){
24     auto newp = new string(*rhs.ps);//为了避免两个对象中ps指针相同时出错先将rhs.ps中的内容存放到一个新开辟的空间newp中
25     delete ps;//释放旧内存
26     ps = newp;
27     i = rhs.i;
28     return *this;
29 }
30 
31 int main(void){
32     HasPtr s1("hello");
33     HasPtr s2("word");
34 
35     s1.print(cout) << endl;
36     s2.print(cout) << endl;
37 
38     swap(s1, s2);
39     // HasPtr cmp = s1;
40     // s1 = s2;
41     // s2 = cmp;
42 
43     s1.print(cout) << endl;
44     s2.print(cout) << endl;
45 
46 // 输出：
47 // 0 hello 0x28411c8
48 // 0 word 0x2841238
49 // 0 word 0x28410d8
50 // 0 hello 0x28410e8
51 
52     return 0;
53 }

View Code

显然，swap(s1, s2)；的实现流程是：

HasPtr cmp = s1;
s1 = s2;
s2 = cmp;

这个过程中分配了 3 次内存，效率及其低下。理论上这些内存分配都是不必要的。我们可以只交换指针而不需要分配 string 的新副本。

因此，除了定义拷贝控制成员，管理资源的类通常还需要定义一个名为 swap 的函数。尤其对于那些与重排元素顺序的算法一起使用的类，定义 swap 是非常重要的。这类算法在需要交换两个元素时会调用 swap。

给值语义的 HasPtr 编写 swap 函数：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class HasPtr{
 5 friend void swap(HasPtr&, HasPtr&);
 6 
 7 public:
 8     HasPtr(const std::string &s = std::string(), int a = 0) : ps(new std::string(s)), i(a) {}
 9     HasPtr(const HasPtr &p) : ps(new std::string(*p.ps)), i(p.i) {}
10     HasPtr& operator=(const HasPtr&);
11     ~HasPtr(){
12         delete ps;
13     }
14 
15     ostream& print(ostream &os){
16         os << i << " " << *ps << " " << ps;
17         return os;
18     }
19 
20 private:
21     std::string *ps;
22     int i;
23 };
24 
25 HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs){
26     auto newp = new string(*rhs.ps);//为了避免两个对象中ps指针相同时出错先将rhs.ps中的内容存放到一个新开辟的空间newp中
27     delete ps;//释放旧内存
28     ps = newp;
29     i = rhs.i;
30     return *this;
31 }
32 
33 inline
34 void swap(HasPtr &lhs, HasPtr &rhs){
35     swap(lhs.ps, rhs.ps);
36     swap(lhs.i, rhs.i);
37 }
38 
39 int main(void){
40     HasPtr s1("hello");
41     HasPtr s2("word", 1);
42 
43     s1.print(cout) << endl;
44     s2.print(cout) << endl;
45 
46     swap(s1, s2);
47     // auto cmp = s1.ps;
48     // s1.ps = s2.ps;
49     // s2.ps = cmp;
50     // auto cnt = s1.i;
51     // s1.i = s2.i;
52     // s2.i = cnt;
53 
54     s1.print(cout) << endl;
55     s2.print(cout) << endl;
56 
57 // 输出：
58 // 0 hello 0x2bb1208
59 // 1 word 0x2bb1128
60 // 1 word 0x2bb1128
61 // 0 hello 0x2bb1208
62 
63     return 0;
64 }

View Code

注意：如果存在类型特定的 swap 版本，其匹配程度会优于 std 中定义的版本。如果不存在类型特定的版本，则会使用 std 中的版本(假定作用域中有 using 声明)

类指针的 HasPtr 版本并不能从 swap 函数受益

在赋值运算符中使用 swap：

定义了 swap 的类中通常用 swap 来定义它们的赋值运算符。这些运算符使用了一种名为 拷贝并交换(copy and swap) 的技术。这种技术将左侧运算对象与右侧运算对象的一个副本进行交换：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 class HasPtr{
 5 friend void swap(HasPtr&, HasPtr&);
 6 
 7 public:
 8     HasPtr(const std::string &s = std::string(), int a = 0) : ps(new std::string(s)), i(a) {}
 9     HasPtr(const HasPtr &p) : ps(new std::string(*p.ps)), i(p.i) {}
10     HasPtr& operator=(HasPtr);
11     ~HasPtr(){
12         delete ps;
13     }
14 
15     ostream& print(ostream &os){
16         os << i << " " << *ps << " " << ps;
17         return os;
18     }
19 
20 private:
21     std::string *ps;
22     int i;
23 };
24 
25 HasPtr& HasPtr::operator=(HasPtr rhs){//注意这里不能是引用
26     swap(*this, rhs);//交换后rhs指向本对象曾经使用的内存
27     return *this;//作用域结束，rhs被销毁，从而delete了rhs种的指针
28 }
29 
30 inline
31 void swap(HasPtr &lhs, HasPtr &rhs){
32     swap(lhs.ps, rhs.ps);
33     swap(lhs.i, rhs.i);
34 }
35 
36 int main(void){
37     HasPtr s1("hello");
38     HasPtr s2("word", 1);
39 
40     s1.print(cout) << endl;
41     s2.print(cout) << endl;
42 
43     swap(s1, s2);
44 
45     s1.print(cout) << endl;
46     s2.print(cout) << endl;
47 
48 // 输出：
49 // 0 hello 0x2ef1128
50 // 1 word 0x2ef1088
51 // 1 word 0x2ef1088
52 // 0 hello 0x2ef1128
53 
54     return 0;
55 }

View Code

注意：这个版本赋值运算符中，参数并不能是引用

使用拷贝和交换的赋值运算符自动就是异常安全的，且能正确处理自赋值

以上是关于拷贝控制2(拷贝控制和资源管理/交换操作)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

《C++Primer（第5版）》第十三章笔记

拷贝控制和资源管理

2.拷贝控制操作(三/五法则)

13.2：拷贝控制和资源管理

拷贝控制=============================================

拷贝控制3(对象移动)