以下笔记来自:C++20高级编程(第5版) p231-237
。
前期准备
对于 C++来说,如果没有自行编写拷贝构造函数或赋值运算符,C++会自动生成。然而,对于基本类型,编译器只会提供表层复制或赋值,也就是浅拷贝。
那么对于以下的类,如果使用了编译器提供了默认的拷贝构造函数,会导致程序运行错误:
cpp
class Sheet {
public:
Sheet(size_t width, size_t height)
: m_width{ width }, m_height{ height }
{
m_chart = new int* [m_width];
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++ ) {
m_chart[i] = new int[m_height];
}
}
~Sheet() {
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
delete[] m_chart[i];
}
delete[] m_chart;
m_chart = nullptr;
}
private:
size_t m_width{ 0 };
size_t m_height{ 0 };
int** m_chart;
};
可以使用以下的代码验证,可以发现程序会报错:
cpp
int main() {
// 构造一个变量
Sheet a1{ 5, 7 };
// 使用默认的拷贝构造函数完成拷贝构造
Sheet a2{ a1 };
return 0;
}
因此,我们需要自己写一个拷贝构造函数来完成对于类的拷贝构造(深拷贝)。
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class Sheet {
public:
Sheet(size_t width, size_t height)
: m_width{ width }, m_height{ height }
{
m_chart = new int* [m_width];
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++ ) {
m_chart[i] = new int[m_height];
}
}
~Sheet() {
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
delete[] m_chart[i];
}
delete[] m_chart;
m_chart = nullptr;
}
// ADD ///
Sheet(const Sheet& src)
: Sheet{src.m_width, src.m_height}
{
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
for (size_t j{ 0 }; j < m_height; j++) {
m_chart[i][j] = src.m_chart[i][j];
}
}
}
///
private:
size_t m_width{ 0 };
size_t m_height{ 0 };
int** m_chart;
};
再次执行上面的代码,可以发现程序不会报错了,因为通过深拷贝,可以正确的分配内存了。
赋值运算符
那么,如果要实现赋值运算符,应该怎么实现?
首先,来看以下的实现方式:
cpp
Sheet& operator=(const Sheet& rhs) {
// 检查是不是自赋值
if (this == &rhs) {
return *this;
}
// 释放旧内存
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
delete[] m_chart[i];
}
delete[] m_chart;
m_chart = nullptr;
// 分配新内存
m_width = rhs.m_width;
m_height = rhs.m_height;
m_chart = new int* [m_width];
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
m_chart[i] = new int[m_height];
}
// 复制数据
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
for (size_t j{ 0 }; j < m_height; j++) {
m_chart[i][j] = rhs.m_chart[i][j];
}
}
return *this;
}
该函数做了以下的事情:
- 检查自赋值
- 释放当前使用的内存
- 分配新的内存
- 复制各个内存
我在第一眼看的时候并没有发现什么错,不过经过书中的指点,我才明白:该代码存在以下的漏洞:
如果该代码成功的释放了内存,合理的设置了 m_width 与 m_height,但是分配内存的循环抛出了异常。如果出现了这种情况,则将不再执行该方法的剩余部分,而是直接从该方法中退出。此时 Sheet
实例受损,它的 m_width 与 m_height 数据成员声明了指定的大小,但 m_chart 数据成员不指向正确数量的内存。所以,该代码不能安全的处理异常!
所以,我们需要一种全有或全无的机制:要么全部成功,要么该对象保持不变。如果要实现一个能安全处理异常的赋值运算符,则要使用 复制和交换 的方法:
什么是复制和交换方法
该方法共有以下几步:
- 给目标类添加一个
swap()
方法(推荐提供一个非成员函数的版本,这样各种标准库算法都可以使用它了) - 使用复制和变换的惯用方法
- 创建一个右边的副本
- 用当前对象与这个副本交换
代码演示
以下是代码演示:
首先,先写一个 swap 函数,成员函数版与非成员函数版。
cpp
class Sheet {
public:
// 之前的代码省略
// 成员函数版
void swap(Sheet& other) noexcept {
std::swap(m_width, other.m_width);
std::swap(m_height, other.m_height);
std::swap(m_chart, other.m_chart);
}
private:
// 数据成员省略
};
// 再提供一个非成员函数版
void swap(Sheet& first, Sheet& second) noexcept {
first.swap(second);
}
然后使用复制与交换的惯用方法,完成赋值运算符。
cpp
Sheet& operator=(const Sheet& rhs) {
Sheet temp{ rhs };
swap(temp);
return *this;
}
复制与交换方法通过 3 个阶段来实现:
- 第一阶段创建一个临时副本。这不修改当前 Sheet 对象的状态,因此,如果在这个阶段上发生异常,不会出现问题。
- 第二阶段使用
swap()
函数,将创建的临时副本与当前对象交换。swap()
永远不会抛出异常。 - 第三阶段销毁临时对象(由于发生了交换,temp 为原始对象)以清理内存。
复制和交换方法的好处
- 使用了复制和交换惯用方法的情况下,不再需要自我赋值的检查了。
- 可以避免代码重复,又可以保证强大的异常安全性
- 复制和交换惯用方法不仅仅适用于赋值运算符。它可以用于任何需要多个步骤的操作,并且你希望将其转换为全有或全无的操作。
完整的代码
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class Sheet {
public:
Sheet(size_t width, size_t height)
: m_width{ width }, m_height{ height }
{
m_chart = new int* [m_width];
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++ ) {
m_chart[i] = new int[m_height];
}
}
~Sheet() {
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
delete[] m_chart[i];
}
delete[] m_chart;
m_chart = nullptr;
}
Sheet(const Sheet& src)
: Sheet{src.m_width, src.m_height}
{
for (size_t i{ 0 }; i < m_width; i++) {
for (size_t j{ 0 }; j < m_height; j++) {
m_chart[i][j] = src.m_chart[i][j];
}
}
}
void swap(Sheet& other) noexcept {
std::swap(m_width, other.m_width);
std::swap(m_height, other.m_height);
std::swap(m_chart, other.m_chart);
}
Sheet& operator=(const Sheet& rhs) {
Sheet temp{ rhs };
swap(temp);
return *this;
}
private:
size_t m_width{ 0 };
size_t m_height{ 0 };
int** m_chart;
};
void swap(Sheet& first, Sheet& second) noexcept {
first.swap(second);
}
int main() {
Sheet a1{ 5, 7 };
Sheet a2{ 2, 4 };
a2 = a1;
return 0;
}