C++ 赋值与交换法则
在C++中，赋值与交换法则（Assignment and Swap Idiom）通常指的是在实现类的赋值操作符（operator=）时，结合拷贝构造和交换操作来确保强异常安全保证（Strong Exception Safety Guarantee）的一种设计模式。这种模式也被称为Copy-and-Swap Idiom。它是一种优雅且高效的方式，用于实现赋值操作符，同时避免资源泄漏和异常不安全的情况。
核心概念
Copy-and-Swap Idiom 的核心是通过拷贝构造创建一个临时对象，然后通过交换操作将临时对象的内容与当前对象的内容交换，从而完成赋值操作。这种方法利用了C++的资源管理机制（RAII）和异常安全特性。
实现步骤
以下是 Copy-and-Swap Idiom 的典型实现步骤：
- 定义拷贝构造函数：创建一个新的对象，深拷贝传入对象的数据。
- 定义交换函数（swap）：通常是一个成员函数或友元函数，用于无异常地交换两个对象的内容（通常使用
std::swap或自定义交换逻辑）。 - 定义赋值操作符：通过拷贝构造和交换实现赋值。
代码示例
以下是一个完整的实现示例：
#include <algorithm> // for std::swap
#include <cstddef> // for size_tclass MyString {
private:char* data_;size_t length_;public:// 构造函数MyString(const char* str = "") : data_(nullptr), length_(0) {length_ = std::strlen(str);data_ = new char[length_ + 1];std::strcpy(data_, str);}// 拷贝构造函数MyString(const MyString& other) : data_(nullptr), length_(0) {length_ = other.length_;data_ = new char[length_ + 1];std::strcpy(data_, other.data_);}// 析构函数~MyString() {delete[] data_;}// 交换函数（无异常抛出）friend void swap(MyString& lhs, MyString& rhs) noexcept {std::swap(lhs.data_, rhs.data_);std::swap(lhs.length_, rhs.length_);}// 赋值操作符（Copy-and-Swap Idiom）MyString& operator=(MyString other) {swap(*this, other);return *this;}// 其他方法（例如打印内容）void print() const {std::cout << data_ << std::endl;}
};// 测试代码
int main() {MyString a("Hello");MyString b("World");a.print(); // 输出: Hellob.print(); // 输出: Worlda = b; // 赋值操作a.print(); // 输出: Worldreturn 0;
}
工作原理
- 拷贝构造：在赋值操作
a = b中，参数MyString other是按值传递的，这会调用拷贝构造函数创建一个临时对象other，该对象是b的深拷贝。 - 交换：
swap(*this, other)将当前对象（*this）的内容与临时对象other的内容交换。由于swap是无异常抛出的（noexcept），这一步是安全的。 - 销毁临时对象：临时对象
other在离开作用域时自动销毁，其析构函数会清理原来*this的资源（因为它们已被交换到other中）。
优点
- 强异常安全保证：如果拷贝构造函数抛出异常，
*this的状态不会被修改，因为交换操作本身是无异常的。 - 代码简洁：将拷贝和赋值逻辑统一到拷贝构造函数和
swap函数中，减少代码重复。 - 资源管理安全：通过 RAII（资源获取即初始化），确保资源（如动态分配的内存）在异常情况下也能正确释放。
注意事项
- 性能考虑：Copy-and-Swap 需要一次拷贝构造和一次交换，相比直接赋值可能有轻微性能开销。但在现代 C++ 中，编译器优化（如 NRVO）通常能减少不必要的拷贝。
- 适用场景：这种模式适用于管理动态资源（如内存、文件句柄等）的类。如果类没有动态资源，可能不需要如此复杂的实现。
- 移动语义：在 C++11 及以上版本中，可以结合移动构造函数和移动赋值操作符进一步优化性能，但 Copy-and-Swap 仍然是一个可靠的通用解决方案。
扩展：结合移动语义
在 C++11 及以上，赋值操作符可以接受右值引用以支持移动语义，通常仍可通过 Copy-and-Swap Idiom 实现：
MyString& operator=(MyString other) noexcept {swap(*this, other);return *this;
}
这里的 other 可以是左值（触发拷贝）或右值（触发移动），编译器会自动选择合适的构造函数。
总结
C++ 的赋值与交换法则（Copy-and-Swap Idiom）通过拷贝构造和交换操作实现赋值操作符，提供强异常安全保证和简洁的代码结构。它是 C++ 中处理资源管理的标准模式之一，广泛应用于需要深拷贝的类设计中。