在 C++11 中实现复制和交换习语的更好方法

Question

我看到很多代码在复制和交换方面实现了五规则，但我认为我们可以使用移动函数来替换交换函数，如下代码所示：

#include <algorithm>
#include <cstddef>

class DumbArray {
public:
    DumbArray(std::size_t size = 0)
        : size_(size), array_(size_ ? new int[size_]() : nullptr) {
    }

    DumbArray(const DumbArray& that)
        : size_(that.size_), array_(size_ ? new int[size_] : nullptr) {
        std::copy(that.array_, that.array_ + size_, array_);
    }

    DumbArray(DumbArray&& that) : DumbArray() {
        move_to_this(that);
    }

    ~DumbArray() {
        delete [] array_;
    }

    DumbArray& operator=(DumbArray that) {
        move_to_this(that);
        return *this;
    }

private:
    void move_to_this(DumbArray &that) {
        delete [] array_;
        array_ = that.array_;
        size_ = that.size_;
        that.array_ = nullptr;
        that.size_ = 0;
   }

private:
    std::size_t size_;
    int* array_;
};

我认为是这段代码

1. 异常安全
2. 需要更少的输入，因为许多函数只需调用 move_to_this()，并且复制赋值和移动赋值统一在一个函数中
3. 比复制和交换更有效，因为交换涉及 3 个分配，而这里只有 2 个，并且此代码不会遇到This Link 中提到的问题

我说的对吗？

谢谢

编辑：

1. 正如@Leon 指出的那样，可能需要一个用于释放资源的专用函数，以避免move_to_this() 和析构函数中的代码重复

2. 正如@thorsan 所指出的，出于极端的性能考虑，最好将DumbArray& operator=(DumbArray that) { move_to_this(that); return *this; } 分隔为DumbArray& operator=(const DumbArray &that) { DumbArray temp(that); move_to_this(temp); return *this; }（感谢@MikeMB）和DumbArray& operator=(DumbArray &&that) { move_to_this(that); return *this; }，以避免额外的移动操作

   添加一些调试打印后，我发现DumbArray& operator=(DumbArray that) {} 中没有额外的移动，当你调用它作为移动赋值时

3. 正如@Erik Alapää 所指出的，在move_to_this() 中的delete 之前需要进行自分配检查

Answer 1

cmets 内联，但简短：

• 如果可能的话，您希望所有移动分配和移动构造函数都是noexcept。如果启用此功能，标准库会快得多，因为它可以从重新排序对象序列的算法中排除任何异常处理。

• 如果您要定义自定义析构函数，请将其设为 noexcept。为什么要打开潘多拉魔盒？我错了。默认是noexcept。

• 在这种情况下，提供强大的异常保证是轻而易举的，而且几乎没有成本，所以让我们这样做吧。

代码：

#include <algorithm>
#include <cstddef>

class DumbArray {
public:
    DumbArray(std::size_t size = 0)
    : size_(size), array_(size_ ? new int[size_]() : nullptr) {
    }

    DumbArray(const DumbArray& that)
    : size_(that.size_), array_(size_ ? new int[size_] : nullptr) {
        std::copy(that.array_, that.array_ + size_, array_);
    }

    // the move constructor becomes the heart of all move operations.
    // note that it is noexcept - this means our object will behave well
    // when contained by a std:: container
    DumbArray(DumbArray&& that) noexcept
    : size_(that.size_)
    , array_(that.array_)
    {
        that.size_ = 0;
        that.array_ = nullptr;
    }

    // noexcept, otherwise all kinds of nasty things can happen
    ~DumbArray() // noexcept - this is implied.
    {
        delete [] array_;
    }

    // I see that you were doing by re-using the assignment operator
    // for copy-assignment and move-assignment but unfortunately
    // that was preventing us from making the move-assignment operator
    // noexcept (see later)
    DumbArray& operator=(const DumbArray& that)
    {
        // copy-swap idiom provides strong exception guarantee for no cost
        DumbArray(that).swap(*this);
        return *this;
    }

    // move-assignment is now noexcept (because move-constructor is noexcept
    // and swap is noexcept) This makes vector manipulations of DumbArray
    // many orders of magnitude faster than they would otherwise be
    // (e.g. insert, partition, sort, etc)
    DumbArray& operator=(DumbArray&& that) noexcept {
        DumbArray(std::move(that)).swap(*this);
        return *this;
    }


    // provide a noexcept swap. It's the heart of all move and copy ops
    // and again, providing it helps std containers and algorithms 
    // to be efficient. Standard idioms exist because they work.
    void swap(DumbArray& that) noexcept {
        std::swap(size_, that.size_);
        std::swap(array_, that.array_);
    }

private:
    std::size_t size_;
    int* array_;
};

在移动赋值运算符中还可以进一步提高性能。

我提供的解决方案保证了移出的数组将为空（资源被释放）。这可能不是你想要的。例如，如果您分别跟踪 DumbArray 的容量和大小（例如，像 std::vector），那么您可能希望在移动后将this 中分配的任何内存保留在that 中。这将允许 that 被分配到，同时可能在没有其他内存分配的情况下离开。

为了实现这种优化，我们只需根据 (noexcept) 交换实现 move-assign 运算符：

因此：

    /// @pre that must be in a valid state
    /// @post that is guaranteed to be empty() and not allocated()
    ///
    DumbArray& operator=(DumbArray&& that) noexcept {
        DumbArray(std::move(that)).swap(*this);
        return *this;
    }

到这里：

    /// @pre that must be in a valid state
    /// @post that will be in an undefined but valid state
    DumbArray& operator=(DumbArray&& that) noexcept {
        swap(that);
        return *this;
    }

对于 DumbArray，在实践中可能值得使用更宽松的形式，但要注意细微的错误。

例如

DumbArray x = { .... };
do_something(std::move(x));

// here: we will get a segfault if we implement the fully destructive
// variant. The optimised variant *may* not crash, it may just do
// something_else with some previously-used data.
// depending on your application, this may be a security risk 

something_else(x);   

Answer 2

您的代码的唯一（小）问题是move_to_this() 和析构函数之间的功能重复，如果您的类需要更改，这是一个维护问题。当然可以通过将那部分提取到一个通用函数destroy()中来解决。

我对 Scott Meyers 在他的博文中讨论的“问题”的批评：

如果编译器足够聪明，他会尝试手动优化编译器可以做得同样出色的地方。五法则可以​​通过以下方式简化为四法则

• 仅提供按值获取参数的复制赋值运算符，并且
• 不必费心编写移动赋值运算符（正是您所做的）。

这会自动解决左侧对象的资源被交换到右侧对象中，如果右侧对象不是临时对象，则不会立即释放的问题。

然后，在根据复制和交换习惯用法的复制赋值运算符的实现中，swap() 将把一个过期对象作为其参数之一。如果编译器可以内联后者的析构函数，那么它肯定会消除额外的指针赋值——确实，为什么要保存下一步将要被deleteed 的指针？

我的结论是，遵循成熟的习惯用法会更简单，而不是为了实现成熟编译器能够实现的微优化而稍微复杂化。