C++语义copy and swap示例详解

薄如秋水 · 发表于 2023-2-13 01:59:22

class对象的初始化

我们有一个

class Data

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, 里面有一个

int m_d

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变量，存储一个整数。

class Data
{
int m_i;
public:
void print()
{
std::cout << m_i << std::endl;
}
};

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我们如果需要一个Data类的对象的话，可以这样写：

void test()
{
Data d;
d.print(); // 打印内部的变量 m_i
}

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看到这里，应该能发现问题，虽然 d 变量已经实例化了，但是，我们好像没有在初始化的时候指定内部

m_i

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到底是什么值。
有没有一种可能性，我们并没有将 d 所引用的内存变成一个可以使用的状态。
比如说，这里提一个业务需求，内部的

m_i

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只能是奇数。
而上述代码中的变量d所引用的内存中的

m_i

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到底是什么数，是未知的，有可能你的编译器将m_i的初始值设置成了0，但这是于事无补的，因为我们的业务需求是:

m_i 必须是奇数

所有用到d的地方，都会有这个假设，所以如果在初始化d的时候，没有保证这个m_i是奇数的话，那么后续的所有业务逻辑全部都会崩溃。
说了这么多，实际上就是想道明一句话：

想要使用一个类对象，先进行初始化，这个对象的内存变成一个
1. 合法的状态
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。

合法的状态

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大部分跟业务逻辑相关，比如上面的

m_i必须是奇数

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。

constructor 构造器

对象在实例化的时候，大抵有这么两步：

分配内存：这里分栈和堆，又叫自动分配内存（函数栈自动张开）和手动（使用new操作符在堆上申请）
填充内存

分配好的内存，几乎都是混沌的，完全不知道里面存的数据是什么，所以需要第二步

填充内存

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，使得这块内存变成

合法的

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。
而 constructor 的最大职责就是这个。（打开文件，打开数据库，或者网络连接也能在这里面干）
这意思就是，constructor 执行的时机一定是在内存已经准备好了的时候。
拿上面的例子，我们这样来确保一个合法的m_i:

class Data
{
int m_i;
public:
Data(int i): m_i{i} // 变量m_i初始化
{}
};
void test()
{
Data d{3};// 这里确保了变量 m_i 为 3
}

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也许不想在初始化的非要想一个合法值传给m_i,我们可以搞一个默认constructor：

class Data
{
int m_i;
public:
Data():m_i{1}
{}
};
void test()
{
Data d{}; // 这里不用填参数
}

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constructor overload 构造器重载

constructor的形式有很多，但是它本质上就是一个函数，在初始化的时候会调用而已。
只要是函数，那么就可以按照一般的函数的重载规则进行重载。
上面的例子已经说明了这个用法

Data() : m_i{1} // 不带参数
Data(int i) : m_i{i} // 带了一个int参数 i

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所以一个类该有什么样的constructor，由业务逻辑自己决定。

copy constructor 拷贝构造器

还是上面的Data的例子：

void test
{
Data d1{5}; 调用 Data(int i) 进行初始化
Data d2{d1}; // 这个是啥？？？？？
}

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从写法上来看，我们可以猜测到，d2.m_i 应该拷贝自 d1.m_i, 所以最后的结果是 5。
这没问题的，但是我们前面说了，初始化一定是调用了某个constructor，那么这里是调用的哪个constructor呢？
答案是：

Data(const Data& other);

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形如这样的参数是这样的constructor，还特意起了个名字：copy constructor，也就是

拷贝构造器

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。
这个函数接受一个参数，我们起了个名叫

other

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，所以一看就明白了，这个

other

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就是我们想要拷贝的对象。
这个constructor，我们并没有手动提供，所以这是编译器自动给我们加上去的。
你可能会问，编译器怎么知道这个函数内部应该怎样实现？
对啊，编译器不知道，他对我们的业务逻辑以及

合法性

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一无所知，所以，编译器只能提供一个比较基础的功能：

逐个成员变量拷贝

Data类里只有一个m_i, 所以这里编译器提供的这个constructor，就是做了大概这样的事情：

class Data
{
int m_i;
public:
Data(const Data& other):m_i{other.m_i}
{}
};

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像m_i这种基础类型，就是直接拷贝了。那如果Data类内部有class类型的变量呢：

class Foo
{
int m_i;
};
class Data
{
Foo m_f;
};

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从形式上看，编译器给我们提供的默认的拷贝构造器，应该是这样的:

class Data
{
Foo m_f;
public:
Data(const Data& other):m_f{other.m_f}
{}
};

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虽然m_f不是基本类型的变量，但是形式上来看，和基本变量是一致的。
有必要提一下:

m_f{other.m_f}

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这句，实际上继续调用了

Foo类的拷贝构造

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，所以到这里，那就是

Foo类

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的事情了，与

Data类

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无关了。
总之：

拷贝构造器，就是一个普通的构造器，接收一个参数
1. const T &
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拷贝构造器，可以让我们新产生的对象去拷贝一个已有的老对象，进行初始化
如果我们不提供一个拷贝构造器，那么编译器会给我们搞一个默认的，逐个成员拷贝的，拷贝构造器

拷贝构造器的调用时机

上面已经说过一种：

Data d1{};
Data d2{d1} // 这里会调用拷贝构造器

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事实上，还有别的时候，拷贝构造器会被调用，那就是函数的传参，和返回值。

class Data{}; // 内部省略
void foo(Data d)
{
// 一些逻辑
}
void test()
{
Data d1{};
foo(d1); // 这一句调用了拷贝构造器
}

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函数传参的时候，如果是值类型参数，那么会调用拷贝构造器。
再来看看函数返回值：

class Data{}; // 内部省略
Data getData()
{
Data d1{};
return d1; // 这里也是调用拷贝构造器
}
void test()
{
Data d{getData()}; // 这里依然调用了拷贝构造器
}

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从理论上来看，上面的

Data d{getData()}

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这一句应该调用两次拷贝构造

第一次是函数getData内部的一个局部d1，拷贝给了一个临时匿名变量
第二次是这个临时匿名变量拷贝给了变量d

但是如果你在拷贝构造器里加上打印，你会发现，没有任何东西会打印出来，也就是说，压根就没有调用到拷贝构造器。
这不代表上面关于函数的说法是错的，这只是编译器的优化而已，因为来来回回的拷贝，实在是没有必要，所以在某些编译器认为可以的情况下，编译器就直接省了。这个不重要，就不具体往里面细说规则了。

自定义拷贝构造器

大部分时候，编译器生成的这个拷贝构造器就满足需求了。
但是，如果我们的class包含了动态资源，比如说一个堆上动态的int数组, 默认的拷贝构造器就没那么好用了：

class Data
{
int m_size; // 数组的元素个数
int* m_ptr; // 指向数组首元素的指针
public:
Data(int size):m_size{size}
{
if (size > 0)
{
m_ptr = new int[size]{};
}
}
~Data()
{
delete[] m_ptr;
}
};

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由于这个Data类，拥有一个动态的数组，所以我们提供了一个析构函数，省的这块内存不会被回收。
然后，我们没有提供一个拷贝构造器，所以编译器就给我们添加了一个:

class Data
{
// 忽略别的代码，现在只关注拷贝构造器
Data(const Data& other):m_size{other.m_size}, m_ptr{other.m_ptr}
{}
};
void test()
{
Data d1{10}; // 第一句
Data d2{d1}; // 第二句
}

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没什么悬念，就是按照成员，逐个拷贝，注意，连指针也是直接拷贝。
所以上述test函数中，第二句执行了之后，整个内存应该是这样的：

这有问题吗？
有很大的问题，考虑一下test函数执行完毕前，是不是需要对这两个变量 d1,d2d1, d2d1,d2 进行析构。
你会发现，两次析构，delete 的资源是一份！！！
一份资源，被delete两次，这就是所谓

double free

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问题。
还有别的问题吗？
有。考虑下面的代码：

void foo(Data d)
{
// 一些逻辑
}
void test()
{
Data d1{10};
foo(d1);
//
}

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上面代码里，foo执行完之前，会析构这个局部变量d！导致资源已经被delete！
而外面d1和里面的d，指向的是同一份资源，也就是说，foo执行完之后，d1.m_ptr 成为了一个

悬挂指针

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!
没办法了，只能靠自己定义拷贝构造器，来解决上面的问题了:

class Data
{
int m_size; // 动态数组的元素个数
int* m_ptr; // 指向数据的指针
public:
Data(const Data& other){
if(other.m_ptr)
{
auto temp_ptr { new int[other.m_size]};
std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr + other.m_size, temp_ptr);
m_ptr = temp_ptr;
m_size = other.m_size;
}
else
{
m_ptr = nullptr;
}
}
};

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上面的拷贝构造器，才是真正的拷贝，这种拷贝一般称之为

深拷贝

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。
进行深拷贝之后，新对象和老对象，各自都有一份资源，不会再有任何粘连了。

拷贝赋值，copy assignment

想要完成

深拷贝

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，到现在只进行了一半。
剩下的一般就是重载一个操作符，

operator=

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，这是用来解决如下形式的拷贝:

Data d1{10};
Data d2{2};
///
d2 = d1;

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这里，两个变量 d1,d2d1, d2d1,d2 都自己进行了初始化，在经过一堆代码逻辑之后，此时我们的需求是：

清除 d2 的数据
将 d1 完整的拷贝给 d2

两个类对象之间用赋值操作符，其实是调用了一个成员函数:

operator=

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。
对，这玩意虽然是操作符，但是操作符本质上也还是函数，这个函数的名字就是

operator=

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。
还是一样的，如果我们不提供一个自定义的

operator=

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, 那么编译器会给我们添加一个如下的:

class Data
{
int m_size;
int* m_ptr;
public:
Data(int size):m_size{size} // 普通构造器
{
if (size > 0)
{
m_ptr = new int[size]{};
}
}
Data(const Data& other) // 拷贝构造器
{
if(other.m_ptr)
{
auto temp_ptr { new int[other.m_size]};
std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr + other.m_size, temp_ptr);
m_ptr = temp_ptr;
m_size = other.m_size;
}
else
{
m_ptr = nullptr;
}
}
~Data() // 析构
{
delete[] m_ptr;
}
///////// 编译器自动添加的 operator=
Data& operator=(const Data& other)
{
m_size = other.m_size;
m_ptr = other.m_ptr;
return *this;
}
};

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看这个编译器自动添加的

operator=

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, 是显而易见能发现问题的：

自身的m_ptr指向的内存永远无法回收了

自定义 operator=

还是得靠自己来编写

operator=

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。
前方警告，终于要点题了，

copy and swap

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即将出现。
先按照我们的思路来写一个：

Data& operator=(const Data& other)
{
// 1. 首先清除本身的资源
delete[] m_ptr;
// 2. 拷贝other的资源
m_size = other.m_size;
if (other.m_ptr)
{
m_ptr = new int[m_size];
std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr+m_size, m_ptr);
}
return *this;
}

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如果按照上面的代码，来看下面的test函数，会发生什么问题：

void test()
{
Data d1{10};
d1 = d1; // 自己赋值给自己
}

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我们在

operator=

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里面看见，上来直接把整个资源删除了，GG！
我们要加一个判断：

Data& operator=(const Data& other)
{
if (this == &other) // 加了一个判断
{
return *this;
}
// 1. 首先清除本身的资源
delete[] m_ptr;
// 2. 拷贝other的资源
m_size = other.m_size;
if (other.m_ptr)
{
m_ptr = new int[m_size]; // 这句有可能异常
std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr+m_size, m_ptr);
}
return *this;
}

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关于这里加不加判断，很多大师级人物也认为不该加：

谁会写出这种
1. d1 = d1;
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这种代码？？？加了判断，徒增烦恼而已。

再来看上面注释那个， new 在申请新的内存的时候，可能会发生异常，此时出现了一个问题，在文章开头提及的：

内存合法性

m_size 已经拷贝过来了
而真正的数据没有拷贝过来，导致这两个变量，不满足我们的业务合法性。
所以再改改：

Data& operator=(const Data& other)
{
// 1. 首先清除本身的资源
delete[] m_ptr;
m_ptr = nullptr;
// 2. 拷贝other的资源
auto temp_size {other.m_size};
if (other.m_ptr)
{
m_ptr = new int[temp_size];
std::copy(other.m_ptr, other.m_ptr+temp_size, m_ptr);
m_size = temp_size;
}
return *this;
}

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此时此刻，这个代码已经没啥大问题了，除了一样：

代码重复了，我们发现在拷贝other的数据的时候，逻辑是和拷贝构造器是一模一样的

c++里有一个原则:

DRY

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: Do not Repeat Yourself。
别写重复的代码！
所以接着往下，copy-and-swap正式出场：

copy-and-swap 语义

首先copy就是指拷贝构造器

我们先来讲讲swap是个啥。
就是说，我们需要写一个函数swap，如下：

class Data
{
// 其余部分省略，将重点放在swap函数
friend void swap(Data &left, Data& right)
{
std::swap(left.m_size, right.m_size);
std::swap(left.m_ptr, right.m_ptr);
}
};

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这个swap函数很简单，就是交换两个已有的Data对象的内部数据，仅此而已。
现在，

copy有了
swap有了

让我们写出最终极的

operator=

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:

Data& operator=(Data other)
{
swap(*this, other);
return *this;
}

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是不是惊呆了，就这么两句，就行了！
仔细领略一下这个写法的高深之处：

函数传参，用的值传参，而非引用，所以此时会调用拷贝构造器(copy)
函数内部，交换了当前对象，和局部临时变量other的数据(swap)

你可能会问，没有清除自身的资源啊？？？
注意，other 是一个局部临时变量，这个函数结束之前，会进行析构，而析构的时候，other身上已经是被交换过的了，所以other被析构的时候，就是自身资源清除的时候。
妙，妙，妙！！
用如此短的代码实现了

operator=

复制代码

, 实在是妙~
以上就是C++语义copy and swap示例详解的详细内容，更多关于C++语义copy and swap的资料请关注晓枫资讯其它相关文章！

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