25 考虑写出一个不抛异常的swap

本文详细介绍了如何在C++中为类和类模板高效地重写std::swap,包括成员版本和非成员版本的实现。通过全特化和偏特化技术,确保了交换操作的效率和安全性。同时强调了成员版本的swap不应抛出异常,以及在不同命名空间中声明特化版本的考虑因素。

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一、std::swap

std::swap面对指针(如pImpl写法)时效率低,因此需要重写swap

1.1 如何重写swap

  • 为标准库提供特化版本(全特化)
//pImpl写法的Widget
class WidgetImpl{
public:
    ...
    void swap(Widget& other){
        using std::swap;
        swap(pImpl,other.pImpl);
    }
private:
    int a,b,c;
    std::vector<double> v;
    ...        
};

class Widget{
public:
    Widget(const Widget& rhs);
    Widget& operator=(const Widget& rhs){
        ...
        *pImpl = *(rhs.pImpl);
        ...
    }
    ...
private:
   WidgetImpl* pImpl;
};

//全特化标准库swap
namespace std{
    template <>
    void swap<Widget>(Widget& a,Widget& b){
        a.swap(b);
    }
}

如果希望交换的并非是class而是 class template

  • C++只允许对class templates偏特化,不允许对function templates身上进行偏特化,偏特化一个function template 时,惯常的做法是简单的为它添加一个重载版本
//为函数模版提供重载版本
namespace std{
    template <typename T>
    void swap(Widget<T>& a,Widget<T>& b){
        a.swap(b);
    }
}
  • std命名空间内可以全特化templates,但是不能添加新的templates(或classes或functions或任何其他东西),因此在class tempalte相同的命名空间中声明swap
namespace WidgetStuff{
    template<typename T>
    class Widget{...};
    ...
    template<typename T>
    void swap(Widget<T>& a,Widget<T>& b){
        a.swap(b);
    }
}
  • C++名称查找法则:1)确保找到global作用域或T所在之命名空间内的任何T专属的swap。如果T是Widget并位于命名空间WidgetStuff内,编译器会使用实参取决之查找规则找出WidgetStuff内的swap。如果没有T专属之swap存在,编译器就会使用std内的swap。
  • non-member版本的swap已经通用,提供std空间内的特化版本是为了防止会有客户使用std::swap修饰限定法。
  • 成员版本的swap不要抛出异常:高效率的swao几乎总是基于内置类型的操作,而内置类型上的操作绝对不会抛出异常

1.2 总结

  • 提供成员版本的swap
  • 提供non-member 版本的swap
  • 如果正在编写一个class(而非class template),提供特化的std::swap
### 随机数交换的实现 在 Java 中,可以通过 `SecureRandom` 对象来生成高质量的随机数并用于交换两个变量中的值。以下是基于提供的引用内容以及专业知识构建的一个完整的解决方案。 #### 使用 SecureRandom 实现随机数交换 `SecureRandom` 是线程安全且完全独立的随机数生成器[^1]。它提供了更高级别的安全性,适合于需要高熵的应用场景。下面是一个简单的例子,展示如何利用 `SecureRandom` 来生成随机数并对两个整数值进行交换: ```java import java.security.SecureRandom; public class SwapExample { public static void main(String[] args) { int num1 = 10; int num2 = 20; System.out.println("Before swapping:"); System.out.println("num1: " + num1); System.out.println("num2: " + num2); // Generate a random number using SecureRandom SecureRandom secureRandom = new SecureRandom(); boolean shouldSwap = secureRandom.nextBoolean(); if (shouldSwap) { // Perform the swap without using a temporary variable num1 ^= num2; num2 ^= num1; num1 ^= num2; } System.out.println("\nAfter swapping:"); System.out.println("num1: " + num1); System.out.println("num2: " + num2); } } ``` 上述代码展示了如何通过异或运算符 (`^`) 进行无临时变量的交换逻辑,并结合 `SecureRandom` 的布尔值决定是否执行该操作。 --- #### 关于溢出的安全性考虑 需要注意的是,在某些情况下可能会遇到整数溢出问题。然而,Java 虚拟机会忽略这种溢出情况而出任何异常[^2]。因此,在设计涉及大量计算的操作时应特别小心处理边界条件。 --- #### 列表元素间的随机交换 当涉及到列表中多个元素之间的随机化时,则可参考标准库方法如 `Collections.shuffle()` 。此函数内部实现了 Fisher-Yates 洗牌算法,并依据输入集合大小动态调整策略——对于较小规模的数据集直接迭代遍历;而对于较大规模则先将其转化为数组形式再做进一步优化[^3]。 下面是自定义版本的洗牌功能演示: ```java import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.security.SecureRandom; public class ListShuffleExample { private static final SecureRandom RANDOM = new SecureRandom(); public static <T> void customShuffle(List<T> list) { for(int i=list.size()-1;i>=1;i--){ int j=RANDOM.nextInt(i+1); T temp=list.get(j); list.set(j,list.get(i)); list.set(i,temp); } } public static void main(String[]args){ List<Integer>numbers=new ArrayList<>(); numbers.add(1); numbers.add(2); numbers.add(3); numbers.add(4); System.out.println("Original:"+numbers.toString()); customShuffle(numbers); System.out.println("Shuffled:"+numbers.toString()); } } ``` --- #### 文件分配与性能考量 尽管本主题主要围绕内存中的对象交换展开讨论,但在实际应用开发过程中也需关注外部存储机制的影响。例如,DOS 系统采用 FAT 表结构管理磁盘资源能够显著提升读写效率[^4]。这启示我们在规划程序架构时同样要综合权衡同层次上的技术选型及其潜在影响因素。 ---
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