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[C++] 惯用法

article 2024/11/18 21:54:09

1 “拷贝/交换”惯用法（copy-and-swap idiom）

1.1 拷贝赋值

Vector& operator=(const Vector& rhs) {
        Vector(rhs).swap(*this);
        return *this;
    }

在上述代码段中，我们看到的是一个 Vector 类的拷贝赋值运算符（copy assignment operator）的非常规实现方式。这种实现策略，通常被称为“拷贝/交换”惯用法（copy-and-swap idiom），它巧妙地利用了 swap 成员函数来确保资源的安全转移，同时规避了自我赋值问题和潜在的内存泄漏。

不过，需要注意的是，这里的代码实际上更适合作为移动赋值运算符（move assignment operator）的实现基础，而非拷贝赋值运算符。原因在于，它创建了一个 Vector 的临时对象，而该对象是通过 rhs 的拷贝构造函数生成的。如果我们的目标是优化性能，特别是在处理大型数据结构时，那么利用移动语义而非拷贝语义将更为高效。

然而，如果我们暂时忽略性能优化，专注于“拷贝/交换”惯用法的原理，那么这段代码的工作流程如下：

创建临时对象：首先，通过 Vector(rhs) 调用拷贝构造函数，以 rhs 为模板创建一个 Vector 类型的临时对象。这一步骤涉及资源的复制。
交换资源：接着，调用 swap(*this) 方法，将当前对象（*this）与刚刚创建的临时对象进行资源交换。swap 函数应确保两个对象在交换后各自拥有对方的资源，且不会引发资源泄漏或悬挂指针等问题。
销毁临时对象：最后，当临时对象超出作用域时，其析构函数将被自动调用。由于资源已通过 swap 转移给了当前对象，因此临时对象的析构过程将安全且高效地释放不再需要的资源。
返回当前对象引用：函数返回当前对象的引用（*this），以支持链式赋值操作。

尽管这种“拷贝/交换”策略在概念上清晰且易于理解，但如前所述，在拷贝赋值运算符中实现时，其性能可能并非最优。为了提升性能，我们通常会为移动赋值运算符采用类似的策略，但利用移动构造函数而非拷贝构造函数来创建临时对象。

另外，值得注意的是，如果您的 Vector 类已经包含了有效的 swap 成员函数和移动构造函数，那么实现移动赋值运算符将变得非常简单且高效。例如：

Vector& operator=(Vector rhs) noexcept { // 注意这里rhs是按值传递的，将触发移动构造
    rhs.swap(*this); // 交换当前对象与rhs的资源
    return *this; // 返回当前对象的引用
}

在这个改进的实现中，rhs 是通过按值传递的方式接收的，这将触发移动构造函数（如果编译器和类型支持的话）。随后，通过 swap 函数将资源从 rhs 转移到当前对象，并返回当前对象的引用。这种方法不仅避免了自我赋值问题，还充分利用了移动语义来提升性能。

1.2 移动赋值

    Vector& operator=(Vector&& rhs) {
        Vector(std::move(rhs)).swap(*this);
        return *this;
    }

在上述代码段中，尝试为 Vector 类实现一个移动赋值运算符（move assignment operator）。然而，这种实现方式虽然遵循了“拷贝/交换”惯用法的结构，但应用于移动赋值时却显得不够高效且略显冗余。

问题在于，首先通过 Vector(std::move(rhs)) 创建了一个临时的 Vector 对象，这个对象是通过移动 rhs 来构造的。但紧接着，又调用了 swap 方法来交换当前对象（*this）与这个临时对象之间的资源。实际上，这种操作是多余的，因为您已经通过移动构造得到了 rhs 的资源，接下来只需将这些资源“接管”到当前对象即可，无需再进行交换。

此外，创建临时对象并立即进行交换，不仅增加了不必要的开销（如额外的内存分配和释放），还可能降低代码的可读性和性能。

更高效且直接的实现方式应该是直接“窃取” rhs 的资源，并妥善处理 rhs 留下的“空壳”。这通常意味着将 rhs 的内部指针（如 begin_, end_, end_cap_）直接赋值给当前对象，并将 rhs 的这些指针设置为 nullptr（或采取其他措施确保 rhs 不会释放已转移的资源）。同时，如果 Vector 类包含了一个自定义的分配器（allocator），也需要确保分配器的状态在移动后保持一致。

以下是一个更简洁且高效的移动赋值运算符实现示例：

Vector& operator=(Vector&& rhs) noexcept {
    // 处理自我赋值的情况（可选，但推荐）
    if (this != &rhs) {
        // 释放当前对象持有的资源（如果需要）
        // 例如，如果使用了动态内存分配，这里应该释放它
        // 注意：如果Vector的析构函数会自动处理资源释放，则此步骤可能不是必需的

        // “窃取”rhs的资源
        begin_ = rhs.begin_;
        end_ = rhs.end_;
        end_cap_ = rhs.end_cap_;
        // 如果Vector有一个自定义的allocator成员，也需要移动它
        // allocator_ = std::move(rhs.allocator_);

        // 将rhs的资源指针设置为nullptr（或采取其他措施）
        // 以确保rhs不会释放已转移的资源
        rhs.begin_ = rhs.end_ = rhs.end_cap_ = nullptr;
        // 如果移动了allocator，也需要重置rhs的allocator状态
        // rhs.allocator_ = /* 适当的重置状态 */;

        // 注意：如果Vector的析构函数会自动处理资源释放，
        // 并且allocator的移动构造函数已经正确实现了资源转移，
        // 那么上述对rhs的资源指针和allocator的重置可能是不必要的，
        // 因为rhs的析构函数在调用时应该不会尝试释放已转移的资源。
        // 然而，显式地重置这些指针和状态可以提高代码的可读性和安全性。
    }
    // 返回当前对象的引用以支持链式赋值
    return *this;
}

请注意，上述代码中的注释指出了在处理资源时需要特别注意的几个方面。特别是，如果 Vector 的析构函数会自动处理资源释放（例如，通过删除动态分配的内存），则可能不需要在移动赋值运算符中显式释放这些资源。然而，显式地重置 rhs 的资源指针（如将指针设置为 nullptr）可以提高代码的安全性和可读性，因为它清晰地表明了这些资源已经被转移。

另外，如果 Vector 类包含了一个自定义的分配器（allocator），则需要确保在移动赋值时正确地处理它。这通常意味着在移动构造函数或移动赋值运算符中移动分配器对象，并在必要时重置源对象的分配器状态。然而，如果分配器的移动构造函数已经正确地实现了资源转移，并且析构函数能够安全地处理空或已转移的状态，则可能不需要显式地重置源对象的分配器。

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