《C++ Primer》读书笔记第十三章-2-拷贝控制、交换、动态内存管理类

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拷贝控制和资源管理

通过定义不同的拷贝操作，使自定义的类的行为看起来像一个值或指针。

1. 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。
2. 类的行为像指针（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。

标准库容器和string类的行为像一个值；shared_ptr类的行为像指针；IO和unique_ptr不允许拷贝或赋值，值和指针都不像。

举例：

实现一个类HasPtr，让它的行为像一个值；然后重新实现它，再使其像一个指针：
我们的HasPtr有两个成员，一个int和一个string指针，对于内置类型int，直接拷贝值，改变它也不符合常理；我们把重心放到string指针，它的行为决定了该类是像值还是像指针。

行为像值的类

为了像值，每个string指针指向的那个string对象，都得有自己的一份拷贝，为了实现这个目的，我们需要做以下三个工作：

1. 定义一个拷贝构造函数，完成string的拷贝，而不是拷贝指针
2. 定义析构函数来释放string
3. 定义一个拷贝赋值运算符来释放对象当前的string，并从右侧运算对象拷贝string
   我们来抛代码：

class HasPtr
{
public:
    HasPtr(const string &s = string()) : ps(new string(s)), i(0){} //默认实参，列表初始化
/*补充：const修饰s为字符串常量（只读），此处s恒为空字符串；&的作用是引用，避免再复制一个string，若是const string s的话还要再复制一次，岂不是很浪费。所以，既然已是只读，为啥不直接用引用。*/

    HasPtr(const HasPtr &p) : ps(new string(*p.ps)), i(p.i){} //拷贝构造函数

    HasPtr& operator=(const HasPtr &); //赋值运算符声明

    ~HasPtr(){delete ps;} //析构函数

private:
    string *ps;
    int i;
};

主要在于拷贝构造函数，它是有副本的，会拷贝string对象，所以析构函数要delete来释放内存。这个类写得很优雅~

类值拷贝赋值运算符
举例：a = b;
类值拷贝赋值：自赋值也是安全的，发生异常后左侧对象状态仍有意义；先拷贝构造右侧对象到临时变量，再销毁左侧成员并赋予新值。

所以，赋值运算符定义如下：

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs)
{
 auto newp = new string(*rhs.ps); //拷贝底层string
 delete ps; //释放对象指向的string，指针无析构函数，所以指针还在
 ps = newp; //从右侧对象拷贝数据到本对象
 i = rhs.i;
 return *this; //返回本对象
}

定义行为像指针的类

拷贝指针就行了？没那么简单，还是要释放内存。而且这个释放内存的时机很重要：只有当最后一个指向string的HasPtr销毁时，才能释放内存，所以，我们可以用shared_ptr，但这里，不用智能指针，弄麻烦些，让大家看看底层如何实现引用计数：

class HasPtr
{
public:
    HasPtr(const string &s = string()) : ps(new string(s)), i(0),
    use(size_t(1)){} //默认实参，列表初始化
    HasPtr(const HasPtr &p) : ps(p.ps), i(p.i), use(p.use){++(*use)} //拷贝构造函数，要递增计数器
    HasPtr& operator=(const HasPtr &); //赋值运算符声明
    ~HasPtr() //析构函数
    {
        if(--(*use) == 0) //没人引用了才释放
        {
            delete ps;
            delete use;
        }
    }
private:
    string *ps;
    int i;
    size_t *use; //引用计数
    //补充：size_t是目标平台能够使用的最大的类型，考虑到了跨平台的效率问题。
};

类指针拷贝赋值运算符：

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs)
{
    ++(*rhs.use); //递增右侧运算对象的引用计数
    if(--(*use) == 0) //递减左侧对象的引用计数并判断是否要释放内存
    {
        delete ps;
        delete use;
    }
    ps = rhs.ps; //拷贝
    i = rhs.i;
    use = rhs.use;
    return *this; //返回本对象
}

交换操作swap

拷贝并交换：在赋值运算符中，若参数不是引用，此时结合拷贝和交换的赋值运算符是安全的。

比如我们来交换一下前面写的HasPtr（值拷贝版本）：

HasPtr temp = v1;
v1 = v2;
v2 = temp;

这是很自然的一种写法，我们借助中间量temp来交换v1和v2，但是，有时候对象很大，你跑去拷贝交换对象很浪费，不如去交换指针更合算：

string *temp = v1.ps;
v1.ps = v2.ps;
v2.ps = temp;

我们定义交换指针的swap函数后，就可以利用它写出更简洁的赋值运算符啦~

这样做的好处在哪？
在于你不用管内存拷贝释放等事，把类写好后，保证你调用的方式是最经济有效的。

拷贝控制示例

我们将建立两个类用于邮件处理，两个类命名为Message和Folder，分别表示邮件消息和消息目录。每个Message对象可以出现在多个Folder中，但是任意给定的Message的内容只有一个副本，这样的话，一条Message的内容改变，则我们从任意Folder来浏览它时看到的都是更新的内容。

书上写得挺优雅地，分析和代码请见P460

动态内存管理类

某些类需要在运行时分配可变大小的内存空间，这种类最好在底层使用标准容器库，例如vector。但是，有些类需要自己进行内存分配，它基本就要定义自己的拷贝控制成员来管理所分配的内存。

这一节，要实现标准库vector类的一个简化版，它只能用于string，命名为StrVec。

StrVec类的设计

主要参照vector<string>源码来实现，vector源码请见我的另一篇博客：
http://blog.youkuaiyun.com/billcyj/article/details/78801834

我们将使用allocator来获得原始内存，由于它分配的内存是未构造的，我们将需要在添加新元素时，用allocator的construct成员在原始内存中创建对象；同样的，我们在删除元素时就使用destroy成员来销毁函数。
每个StrVec有三个指针成员指向其元素所使用的内存：

1. elements 指向首元素
2. first_free 尾后元素
3. cap 指向分配的内存末尾的下一个位置

StrVec还有一个名为alloc的静态成员，其类型为allocator<string>。alloc成员会分配StrVec使用的内存。我们的类还有4个工具函数：

1. alloc_n_copy会分配内存，并拷贝一个给定范围内的元素
2. free会销毁构造的元素并释放内存
3. chk_n_alloc保证StrVec至少有容纳一个新元素的空间，如果空间不够的话，它会调用reallocate来分配更多内存
4. reallocate在内存用完时为StrVec分配新内存

分析设计好了之后，我们就可以动手写类了：

class StrVec
{
public:
    StrVec() : elements(nullptr), first_free(nullptr), cap(nullptr){} //默认构造函数

    StrVec(const StrVec&); //拷贝构造函数声明
    StrVec &operator=(const StrVec&); //拷贝赋值运算符声明
    ~StrVec(); //析构函数

    //一些常用成员函数
    void push_back(const string&);
    size_t size() const {return first_free - elements;}
    size_t capacity() const {return cap - elements;}
    string *begin() const {return elements;}
    string *end() const {return first_free;}

private:
    static allocator<string> alloc; //分配元素

    void chk_n_alloc()
    {
        if(size() == capacity())
        {
            reallocate();
        }
    }

    pair<string*, string*> alloc_n_copy(const string*, const string*);

    void free();
    void reallocate();

    //数据成员
    string *elements;
    string *first_free;
    string *cap;
};

该说明的都已经在注释中说明了。

接下来分别实现已经声明的函数定义：

push_back

void StrVec::push_back(const string& s)
{
    chk_n_alloc(); //确保有空间
    alloc.construct(first_free++, s); //调用allocator成员construct来插入
    //至于construct怎么搞得咱们就不了解了，有兴趣自己去查吧
}

alloc_n_copy
分配足够的内存来保存给定范围的元素，并将这些元素拷贝到新分配的内存中：

pair<string*, string*> StrVec::alloc_n_copy(const string *b, const string *e)
{
    auto data = alloc.allocate(e-b); //分配正好的空间
    return {data, uninitialized_copy(b, e, data)};
}

在返回语句中完成拷贝工作：
返回语句中对返回值进行了列表初始化，返回的pair中，first指向分配内存的开始位置（因为data作为名字来用就是首元素地址），second是uninitialized_copy的返回值，这个值是一个指向尾后元素的指针。

free
free要干两件事：

1. destroy元素，是指确实有内容的元素
2. 释放分配的内存空间，包括没有元素的内存

void StrVec::free()
{
if(elements) //确保不是空指针，就是要有元素
{
    for(auto p = first_free; p != elements;) //逆序的哦（为啥要逆序我不知道）
    //可能是为了重用这部分空间，删除好了之后指针指向首元素
    {
        alloc.destroy(--p);
    }
    alloc.deallocate(elements, cap-elements);
}
}

拷贝控制成员
有了前面的工具函数，实现拷贝控制成员很简单：

StrVec::StrVec(const StrVec &s) //拷贝构造函数
{
    auto newdata = alloc_n_copy(s.begin(), s.end());
    elements = newdata.first;
    first_free = newdata.second
}

StrVec::~StrVec() {free();} //析构函数

StrVec &StrVec::operator=(const StrVec &rhs)
{
    auto data = alloc_n_copy(rhs.begin(), rhs.end());
    free();
    elements = data.first;
    first_free = cap = data.second; //都等于
    return *this;
}

reallocate
我们会用到一些之后要学的函数：

void StrVec::reallocate()
{
    //空就分配一个，不空就变为2倍，好好看看，这个写法很装逼
    auto newcapacity = size() ? 2*size() : 1;

    auto newdata = alloc.allocate(newcapacity); //分配新内存

    auto dest = newdata; //指向新数组的下一个空闲位置
    auto elem = elemments; //指向旧数组的下一个元素

    for(size_t i=0; i != size(); ++i)
    {
        alloc.construct(dest++, move(*elem++));
        //这里的move函数你就理解为把旧数组元素移动到新数组中，不需要拷贝了
    }
    free(); //移动好元素就释放旧内存空间

    //更新数据成员
    elements = newdata;
    first_free = dest;
    cap = elements + newcapacity;
}