拷贝控制2(拷贝控制和资源管理/交换操作/动态内存管理)

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 }

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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 }

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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 }

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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

动态内存管理：

编写一个功能类似于 vector 的管理 string 的类 StrVec：

StrVec.h：

 1 #pragma once
 2 
 3 #include <iostream>
 4 #include <memory>
 5 #include <utility>
 6 #include <initializer_list>
 7 
 8 class StrVec{
 9 public:
10     //默认构造函数
11     StrVec() : elements(nullptr), first_free(nullptr), cap(nullptr) {}//allocator成员进行默认初始化
12     StrVec(const std::initializer_list<std::string>&);
13     StrVec(const StrVec&);//拷贝构造函数
14     StrVec& operator=(const StrVec&);//拷贝赋值运算符
15     ~StrVec();//析构函数
16 
17     void push_back(const std::string&);//拷贝元素
18 
19     size_t size() const{
20         return first_free - elements;
21     }
22 
23     size_t capacity() const{
24         return cap - elements;
25     }
26 
27     std::string* begin() const{
28         return elements;
29     }
30 
31     std::string* end() const{
32         return first_free;
33     }
34 
35     void reserve(const size_t&);//分配指定大小的空间并将原来的元素拷贝到新空间
36     void resize(const size_t&, const std::string &s = "");//使得容器为指定大小但不减小容量
37 
38 private:
39     static std::allocator<std::string> alloc;//分配元素
40 
41     void chk_n_alloc(){//被添加元素的函数所使用
42         if(size() == capacity()) reallocate();
43     }
44 
45     //工具函数，被拷贝构造函数、赋值运算符和析构函数所使用
46     std::pair<std::string*, std::string*> alloc_n_copy(const std::string*, const std::string*);
47 
48     void free();//销毁元素并释放内存
49     void reallocate();//获得更多内存并拷贝已有元素
50     void reallocate(const size_t&);
51 
52     std::string *elements;//指向数组首元素的指针
53     std::string *first_free;//指向数组第一个空闲元素的指针
54     std::string *cap;//指向数组尾后位置的指针
55     
56 };

View Code

StrVec.cpp：

 1 #include "StrVec.h"
 2 #include <iostream>
 3 using namespace std;
 4 
 5 allocator<std::string> StrVec:: alloc;
 6 
 7 void StrVec::push_back(const string &s){
 8     chk_n_alloc();//确保有空间容纳新元素
 9     alloc.construct(first_free++, s);//在原先first_free位置构造一个值为s的新元素
10 }
11 
12 pair<string*, string*> StrVec::alloc_n_copy(const string *b, const string *e){
13     auto data = alloc.allocate(e - b);//分配大小等于给定范围元素数目
14     //data指向分配的内存的开始位置
15     return {data, uninitialized_copy(b, e, data)};//uninitialzed_copy返回最后一个构造元素之后的位置
16 }
17 
18 void StrVec::free(){
19     if(elements){//不能传递一个空指针给deallocate
20         for(auto p = first_free; p != elements;){
21             alloc.destroy(--p);//销毁对象
22         }
23         alloc.deallocate(elements, cap - elements);//释放内存
24     }
25 }
26 
27 //拷贝构造函数
28 StrVec::StrVec(const StrVec &s){
29     auto newdata = alloc_n_copy(s.begin(), s.end());
30     elements = newdata.first;
31     first_free = cap = newdata.second;
32 }
33 
34 StrVec::StrVec(const std::initializer_list<std::string> &il){
35     auto newdata = alloc_n_copy(il.begin(), il.end());
36     elements = newdata.first;
37     first_free = cap = newdata.second;
38 }
39 
40 //析构函数
41 StrVec::~StrVec(){
42     free();//释放资源
43     //隐式析构成员
44 }
45 
46 StrVec& StrVec::operator=(const StrVec &rhs){
47     auto data = alloc_n_copy(rhs.begin(), rhs.end());//为了避免自赋值时出错先开辟内存并拷贝rhs
48     free();//释放原有内存
49     elements = data.first;
50     first_free = cap = data.second;
51     return *this;
52 }
53 
54 void StrVec::reallocate(){
55     auto newcapacity = size() ? 2 * size() : 1;
56     auto newdata = alloc.allocate(newcapacity);//分配新内存
57 
58     //将旧的数据移动到新内存中
59     auto dest = newdata;//指向新数组中下一个空闲位置
60     auto elem = elements;//z指向旧数组中下一个位置
61     for(size_t i = 0; i !=size(); ++i){
62         alloc.construct(dest++, std::move(*elem++));//移动而非构造一个新的string
63     }
64     free();//释放旧内存
65     elements = newdata;
66     first_free = dest;
67     cap = elements + newcapacity;
68 }
69 
70 void StrVec::reallocate(const size_t &newcapacity){
71     auto newdata = alloc.allocate(newcapacity);//分配新内存
72 
73     //将旧的数据移动到新内存中
74     auto dest = newdata;//指向新数组中下一个空闲位置
75     auto elem = elements;//z指向旧数组中下一个位置
76     for(size_t i = 0; i !=size(); ++i){
77         alloc.construct(dest++, std::move(*elem++));//移动而非构造一个新的string
78     }
79     free();//释放旧内存
80     elements = newdata;
81     first_free = dest;
82     cap = elements + newcapacity;
83 }
84 
85 void StrVec::reserve(const size_t &newcapacity){//分配不小于newcapacity的空间
86     if(newcapacity > size()) reallocate(newcapacity);
87 }
88 
89 //使得容器为指定大小但不减小容量
90 void StrVec::resize(const size_t &newcapacity, const std::string &s){
91     if(newcapacity > size()){
92         for(int i = size(); i < newcapacity; i++){
93             push_back(s);
94         }
95     }
96     while(newcapacity < size()){
97         --first_free;
98     }
99 }

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main.cpp：

 1 #include <iostream>
 2 #include "StrVec.h"
 3 using namespace std;
 4     
 5 int main(void){
 6     StrVec s({"gg", "yy"});
 7     s.push_back("hello");
 8     s.push_back("word");
 9     for(const auto &indx : s){
10         cout << indx << " ";
11     }
12     cout << endl;
13 
14     s.reserve(100);//给s分配能容纳100个元素的空间
15     s.resize(10, "jf");
16 
17     for(const auto &indx : s){
18         cout << indx << " ";
19     }
20     cout << endl;
21 
22     s.resize(2);
23     for(const auto &indx : s){
24         cout << indx << " ";
25     }
26     cout << endl;
27 
28 // 输出：
29 // gg yy hello word
30 // gg yy hello word jf jf jf jf jf jf
31 // gg yy
32 
33     return 0;
34 }

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注意：vector 中分配内存和构造元素是可以分离的，所以我们使用 allocator 类来管理资源

为了提高性能，我们在 reallocate 成员中用库函数 move 的返回值来做 construct 的第二个参数，即令 constrcut 使用 string 的移动构造函数以避免拷贝 string 管理的内存——我们构造的 string 直接从 elem 指向的 string 那里接管内存的所有权