概述

为什么我们需要复制和交换习语？

任何管理资源的类（包装器，如智能指针）都需要实现三巨头。虽然复制构造函数和析构函数的目标和实现很简单，但复制赋值运算符可以说是最细微和最困难的。应该怎么做？需要避免哪些陷阱？

复制和交换习语是解决方案，它优雅地协助赋值运算符实现两件事：避免代码重复，并提供强大的异常保证。

它是如何工作的？

从概念上讲，它通过使用复制构造函数的功能来创建数据的本地副本，然后使用swap函数获取复制的数据，将旧数据与新数据交换。然后临时副本销毁，并带走旧数据。我们留下了新数据的副本。

为了使用 copy-and-swap 习惯用法，我们需要三个东西：一个工作的复制构造函数，一个工作的析构函数（两者都是任何包装器的基础，所以无论如何都应该是完整的）和一个swap函数。

交换函数是一个非抛出函数，它交换一个类的两个对象，成员对成员。我们可能想使用std::swap而不是提供我们自己的，但这是不可能的；std::swap在其实现中使用复制构造函数和复制赋值运算符，我们最终会尝试根据自身定义赋值运算符！

（不仅如此，不合格的调用swap将使用我们的自定义交换操作符，跳过我们类的不必要的构造和破坏std::swap。）

深入的解释

目标

让我们考虑一个具体的案例。我们想在一个无用的类中管理一个动态数组。我们从一个有效的构造函数、复制构造函数和析构函数开始：

#include <algorithm> // std::copy
#include <cstddef> // std::size_t

class dumb_array
{
public:
    // (default) constructor
    dumb_array(std::size_t size = 0)
        : mSize(size),
          mArray(mSize ? new int[mSize]() : nullptr)
    {
    }

    // copy-constructor
    dumb_array(const dumb_array& other)
        : mSize(other.mSize),
          mArray(mSize ? new int[mSize] : nullptr)
    {
        // note that this is non-throwing, because of the data
        // types being used; more attention to detail with regards
        // to exceptions must be given in a more general case, however
        std::copy(other.mArray, other.mArray + mSize, mArray);
    }

    // destructor
    ~dumb_array()
    {
        delete [] mArray;
    }

private:
    std::size_t mSize;
    int* mArray;
};

这个类几乎成功地管理了数组，但它需要operator=正常工作。

失败的解决方案

下面是一个幼稚的实现的样子：

// the hard part
dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
    if (this != &other) // (1)
    {
        // get rid of the old data...
        delete [] mArray; // (2)
        mArray = nullptr; // (2) *(see footnote for rationale)

        // ...and put in the new
        mSize = other.mSize; // (3)
        mArray = mSize ? new int[mSize] : nullptr; // (3)
        std::copy(other.mArray, other.mArray + mSize, mArray); // (3)
    }

    return *this;
}

我们说我们已经完成了；这现在管理一个数组，没有泄漏。但是，它存在三个问题，在代码中按顺序标记为(n).

1. 首先是自我分配测试。
   这个检查有两个目的：它是一种简单的方法，可以防止我们在自赋值时运行不必要的代码，它可以保护我们免受细微的错误（例如删除数组只是为了尝试复制它）。但在所有其他情况下，它只会降低程序的速度，并在代码中充当噪音；自分配很少发生，所以大多数时候这种检查是浪费。
   如果操作员可以在没有它的情况下正常工作会更好。

2. 二是它只提供了一个基本的异常保证。如果new int[mSize]失败，*this将被修改。（即，大小错误，数据丢失！）
   为了获得强大的异常保证，它需要类似于：

```cpp
dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
if (this != &other) // (1)
{
// get the new data ready before we replace the old
std::size_t newSize = other.mSize;
int* newArray = newSize ? new intnewSize : nullptr; // (3)
std::copy(other.mArray, other.mArray + newSize, newArray); // (3)

        // replace the old data (all are non-throwing)
        delete [] mArray;
        mSize = newSize;
        mArray = newArray;
    }

    return *this;
}

```

1. 代码扩展了！这就引出了第三个问题：代码重复。

我们的赋值运算符有效地复制了我们已经在别处编写的所有代码，这是一件可怕的事情。

在我们的例子中，它的核心只有两行（分配和复制），但是对于更复杂的资源，这个代码膨胀可能会很麻烦。我们应该努力永不重复自己。

（有人可能想知道：如果需要这么多代码来正确管理一个资源，如果我的班级管理多个资源怎么办？
虽然这似乎是一个有效的问题，而且确实需要非平凡的try/catch子句，但这是一个非-问题。
那是因为一个类应该只管理一个资源！）

一个成功的解决方案

如前所述，复制和交换习语将解决所有这些问题。但是现在，我们拥有除了一个swap功能之外的所有要求。swap虽然三法则成功地包含了我们的复制构造函数、赋值运算符和析构函数，但它确实应该被称为“三巨头半”：任何时候你的类管理一个资源，提供一个函数也是有意义的.

我们需要为我们的类添加交换功能，我们这样做如下†：

class dumb_array
{
public:
    // ...

    friend void swap(dumb_array& first, dumb_array& second) // nothrow
    {
        // enable ADL (not necessary in our case, but good practice)
        using std::swap;

        // by swapping the members of two objects,
        // the two objects are effectively swapped
        swap(first.mSize, second.mSize);
        swap(first.mArray, second.mArray);
    }

    // ...
};

（这里是解释为什么public friend swap。）现在我们不仅可以交换我们dumb_array的，而且交换通常可以更有效；它只是交换指针和大小，而不是分配和复制整个数组。除了功能和效率方面的好处之外，我们现在已经准备好实现复制和交换的习惯用法了。

事不宜迟，我们的赋值运算符是：

dumb_array& operator=(dumb_array other) // (1)
{
    swap(*this, other); // (2)

    return *this;
}

就是这样！一口气，所有三个问题都被优雅地解决了。

为什么它有效？

我们首先注意到一个重要的选择：参数参数是按值获取的。虽然人们可以很容易地做到以下几点（事实上，许多成语的幼稚实现都是这样做的）：

dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
    dumb_array temp(other);
    swap(*this, temp);

    return *this;
}

我们失去了一个重要的优化机会。不仅如此，这种选择在 C++11 中也很关键，后面会讨论。（一般来说，一个非常有用的指导方针如下：如果您要在函数中复制某些内容，请让编译器在参数列表中完成。‡）

无论哪种方式，这种获取资源的方法都是消除代码重复的关键：我们可以使用来自复制构造函数的代码进行复制，而无需重复任何部分。既然副本已经制作好了，我们就可以进行交换了。

请注意，在进入函数时，所有新数据都已分配、复制并准备好使用。这就是免费为我们提供强大的异常保证的原因：如果副本的构造失败，我们甚至不会进入函数，因此不可能更改*this. （我们之前手动为强异常保证所做的工作，现在编译器正在为我们做；怎么样。）

在这一点上，我们是无家可归的，因为swap是非投掷的。我们将当前数据与复制的数据交换，安全地更改我们的状态，并将旧数据放入临时数据中。当函数返回时，旧数据被释放。（参数的作用域在哪里结束并调用它的析构函数。）

因为成语没有重复代码，所以我们不能在操作符中引入错误。请注意，这意味着我们无需进行自分配检查，从而允许对operator=. （此外，我们不再对非自我分配进行性能惩罚。）

这就是复制和交换的习语。

那么 C++11 呢？

C 的下一个版本 C11 对我们管理资源的方式做出了一个非常重要的改变：三法则现在是四法则（半）。为什么？

幸运的是，这很容易：

class dumb_array
{
public:
    // ...

    // move constructor
    dumb_array(dumb_array&& other) noexcept ††
        : dumb_array() // initialize via default constructor, C++11 only
    {
        swap(*this, other);
    }

    // ...
};

这里发生了什么？回想一下移动构造的目标：从类的另一个实例中获取资源，使其处于保证可分配和可破坏的状态。

所以我们所做的很简单：通过默认构造函数（C++11 的一个特性）进行初始化，然后用other;进行交换。我们知道可以安全地分配和销毁我们类的默认构造实例，因此我们知道other在交换之后也可以这样做。

（请注意，一些编译器不支持构造函数委托；在这种情况下，我们必须手动默认构造类。这是一个不幸但幸运的是微不足道的任务。）

为什么这行得通？

这是我们需要对我们的班级做出的唯一改变，那么为什么它会起作用呢？请记住我们做出的使参数成为值而不是引用的重要决定：

dumb_array& operator=(dumb_array other); // (1)

现在，如果other使用右值初始化，它将是 move-constructed。完美的。与 C03 允许我们通过按值获取参数来重用我们的复制构造函数功能相同，C11 也会在适当的时候自动选择移动构造函数。（当然，正如之前链接的文章中提到的，值的复制/移动可能会被完全省略。）

复制和交换的习语就这样结束了。

脚注

*为什么我们设置mArray为null？因为如果运算符中的任何进一步代码抛出，dumb_array可能会调用析构函数；如果在没有将其设置为 null 的情况下发生这种情况，我们将尝试删除已被删除的内存！我们通过将其设置为 null 来避免这种情况，因为删除 null 是无操作的。

†还有其他主张，我们应该专门std::swap针对我们的类型，提供一个类内swap以及一个 free-functionswap等。但这都是不必要的：任何正确的使用都swap将通过一个不合格的调用，我们的函数将是通过ADL找到。一个功能就可以了。

‡原因很简单：一旦您拥有了自己的资源，您就可以在任何需要的地方交换和/或移动它（C++11）。通过在参数列表中进行复制，您可以最大限度地优化。

††移动构造函数通常应该是，否则即使移动有意义noexcept，某些代码（例如调整大小逻辑）也会使用复制构造函数。std::vector当然，只有在里面的代码没有抛出异常的情况下才标记为 noexcept 。