<think>我们需要为`ImageDataSave`类编写一个拷贝赋值运算符,以实现深拷贝。由于类中包含`std::unique_ptr`成员,编译器默认生成的拷贝赋值运算符会被删除(因为`std::unique_ptr`不可拷贝)。因此,我们必须自己实现。
拷贝赋值运算符需要处理以下几点:
1. 自赋值检查:避免将自己赋值给自己而导致资源错误释放。
2. 释放当前对象持有的资源(由`std::unique_ptr`自动管理,但我们需要重新分配内存)。
3. 复制基本类型成员(channel, width, height, step)。
4. 为新数据分配内存并复制源对象的数据。
然而,由于`std::unique_ptr`在赋值时自动释放原有内存,我们不需要显式释放,但需要重新分配内存并复制数据。
实现方式有两种:
a) 拷贝并交换(copy-and-swap)惯用法:通过拷贝构造函数创建一个临时对象,然后交换成员。
b) 直接实现:检查自赋值后,分配新内存并复制数据。
这里我们采用直接实现,因为拷贝并交换需要额外的临时对象,可能效率稍低,但更安全。不过,为了清晰和异常安全,我们也可以考虑使用拷贝并交换。但题目要求写拷贝赋值,我们提供两种方式供参考。
方式一:直接实现
注意:直接实现需要确保在复制过程中异常安全(如果内存分配失败,应保持对象不变)。
我们可以先分配新内存,然后再修改成员变量,这样在分配失败时(抛出异常)不会破坏当前对象。
步骤:
1. 检查自赋值。
2. 分配新内存(使用智能指针的reset,并捕获异常)。
3. 复制基本类型成员。
4. 复制数据。
方式二:使用拷贝并交换(更推荐,因为异常安全且代码简洁)
这里我们展示两种方式,但更推荐方式二(拷贝并交换),因为它利用已有的拷贝构造函数和析构函数,更安全。
由于我们之前已经实现了拷贝构造函数,因此可以很方便地使用拷贝并交换。
我们先实现方式二(拷贝并交换):
需要先实现一个swap成员函数或友元函数,以支持交换操作。
但是,为了简化,我们可以在赋值运算符内部使用拷贝构造函数创建临时对象,然后交换。
具体实现:
拷贝赋值运算符(拷贝并交换):
ImageDataSave& operator=(const ImageDataSave& other) {
if (this != &other) {
ImageDataSave temp(other); // 调用拷贝构造函数
swap(*this, temp);
}
return *this;
}
同时,我们需要一个swap函数:
void swap(ImageDataSave& a, ImageDataSave& b) noexcept {
using std::swap;
swap(a.channel, b.channel);
swap(a.width, b.width);
swap(a.height, b.height);
swap(a.step, b.step);
swap(a.data, b.data);
}
注意:由于`std::unique_ptr`支持swap,所以我们可以直接交换。
但是,更常见的做法是提供一个成员函数swap,然后通过非成员函数swap来调用它(以便与标准库兼容)。
这里我们提供一个非成员swap函数(作为友元或独立函数)。由于类中的数据成员都是public,我们可以直接实现非成员swap。
不过,为了封装性,我们可以在类内提供swap成员函数,然后定义一个非成员swap。
但为了简单,且类成员都是public,我们可以直接定义非成员swap。
方式一(直接实现)的代码:
我们也可以提供直接实现,但要注意异常安全:
ImageDataSave& operator=(const ImageDataSave& other) {
if (this != &other) {
// 先分配新内存
std::unique_ptr<char[]> newData;
if (other.data) {
newData = std::make_unique<char[]>(other.step * other.height);
std::memcpy(newData.get(), other.data.get(), other.step * other.height);
}
// 如果上面没有抛出异常,则开始替换
channel = other.channel;
width = other.width;
height = other.height;
step = other.step;
data = std::move(newData); // 释放旧内存,替换为新内存
}
return *this;
}
这种方式在分配内存和复制数据时,如果发生异常,不会影响当前对象(因为newData是局部变量,异常时析构,而当前对象的数据成员还没有改变)。当没有异常时,再将新数据移动赋值给data,并更新其他成员。
两种方式都可以,这里我们选择方式二(拷贝并交换)因为更简洁且安全。
但是,注意:拷贝并交换可能会引入额外的临时对象构造和析构开销(对于大内存对象,交换指针很快,但临时对象的构造和析构会有一次内存分配和释放,而直接赋值也是需要一次分配和释放,所以开销类似)。不过,拷贝并交换的代码更健壮。
下面我们给出完整的拷贝赋值运算符(采用拷贝并交换)以及swap函数:
注意:为了使swap更高效,我们将其定义为非成员函数,并利用std::swap来交换每个成员。
步骤:
1. 在类外部定义swap函数(或者作为友元函数)。
2. 在赋值运算符中使用拷贝构造函数创建临时对象,然后调用swap交换。
但是,我们也可以将swap函数定义为类的友元函数,以便在非成员函数中访问私有成员(不过这个类的成员都是public,所以不需要友元)。
实现:
首先,在类外部定义swap函数(如果类成员变为private,则需要定义为友元):
```cpp
#include <algorithm> // for std::swap
void swap(ImageDataSave& a, ImageDataSave& b) noexcept {
using std::swap;
swap(a.channel, b.channel);
swap(a.width, b.width);
swap(a.height, b.height);
swap(a.step, b.step);
swap(a.data, b.data);
}
```
然后,在类中实现赋值运算符:
```cpp
class ImageDataSave {
public:
// ... 其他成员
// 拷贝赋值运算符(使用拷贝并交换)
ImageDataSave& operator=(const ImageDataSave& other) {
if (this != &other) {
// 通过拷贝构造函数创建临时对象
ImageDataSave temp(other);
// 交换当前对象和临时对象的内容
swap(*this, temp);
} // 临时对象temp(原内容)被析构
return *this;
}
};
```
注意:swap函数必须在类定义之后声明,否则编译器在类内使用swap时找不到。
另一种做法是将swap函数放在类内作为友元,这样可以直接在类内声明并定义:
```cpp
class ImageDataSave {
public:
// ... 其他成员
friend void swap(ImageDataSave& a, ImageDataSave& b) noexcept {
using std::swap;
swap(a.channel, b.channel);
swap(a.width, b.width);
swap(a.height, b.height);
swap(a.step, b.step);
swap(a.data, b.data);
}
// 拷贝赋值运算符
ImageDataSave& operator=(const ImageDataSave& other) {
if (this != &other) {
ImageDataSave temp(other);
swap(*this, temp);
}
return *this;
}
};
```
这样,swap函数是内联的,且只有该类使用。
完整代码:
```cpp
#include <memory>
#include <cstring>
#include <algorithm> // 实际上在函数内部使用std::swap,需要包含<algorithm>或<utility>
class ImageDataSave {
public:
int channel;
int width;
int height;
int step;
std::unique_ptr<char[]> data;
// 构造函数
ImageDataSave(int ch, int w, int h, int s, const char* src)
: channel(ch), width(w), height(h), step(s),
data(new char[s * h]) {
std::memcpy(data.get(), src, s * height);
}
// 拷贝构造函数
ImageDataSave(const ImageDataSave& other)
: channel(other.channel),
width(other.width),
height(other.height),
step(other.step),
data(other.data ? std::make_unique<char[]>(other.step * other.height) : nullptr) {
if (other.data) {
std::memcpy(data.get(), other.data.get(), other.step * other.height);
}
}
// 友元swap函数
friend void swap(ImageDataSave& a, ImageDataSave& b) noexcept {
using std::swap;
swap(a.channel, b.channel);
swap(a.width, b.width);
swap(a.height, b.height);
swap(a.step, b.step);
swap(a.data, b.data);
}
// 拷贝赋值运算符
ImageDataSave& operator=(const ImageDataSave& other) {
if (this != &other) {
ImageDataSave temp(other);
swap(*this, temp);
}
return *this;
}
};
```
注意:在C++11以后,还可以通过移动赋值运算符来实现拷贝赋值,但这里我们按照要求只实现拷贝赋值。
另外,我们也可以为移动语义提供支持(移动构造函数和移动赋值运算符),但题目没有要求。
测试示例:
```cpp
int main() {
char rawData[100] = {0};
ImageDataSave img1(3, 10, 10, 10, rawData);
ImageDataSave img2(1, 5, 5, 5, nullptr);
img2 = img1; // 调用拷贝赋值运算符
// 验证深拷贝
assert(img2.data != nullptr);
assert(img2.data != img1.data); // 指针不同
assert(img2.channel == img1.channel);
// 其他成员同理
}
```
总结:拷贝赋值运算符通过拷贝并交换技术实现,确保了异常安全和代码简洁。
---
§§相关问题§§:
1. 为什么拷贝赋值运算符需要检查自赋值?
2. 拷贝并交换(copy-and-swap)惯用法是如何保证异常安全的?
3. 在C++中,为什么`std::unique_ptr`成员会导致默认的拷贝赋值运算符被删除?
4. 移动赋值运算符应该如何实现?与拷贝赋值运算符有何不同?</think>### 拷贝赋值运算符实现(深拷贝)
以下是 `ImageDataSave` 类的完整拷贝赋值运算符实现:
```cpp
#include <memory>
#include <cstring>
#include <algorithm>
class ImageDataSave {
public:
int channel;
int width;
int height;
int step;
std::unique_ptr<char[]> data;
// 拷贝赋值运算符(深拷贝)
ImageDataSave& operator=(const ImageDataSave& other) {
if (this != &other) { // 1. 检查自赋值
// 2. 分配新内存(如果源对象有数据)
std::unique_ptr<char[]> newData;
if (other.data) {
newData = std::make_unique<char[]>(other.step * other.height);
std::memcpy(newData.get(), other.data.get(), other.step * other.height);
}
// 3. 更新成员(异常安全)
channel = other.channel;
width = other.width;
height = other.height;
step = other.step;
// 4. 交换数据所有权(原子操作,无异常)
data.swap(newData);
}
return *this;
}
// 原始构造函数
ImageDataSave(int ch, int w, int h, int s, const char* src)
: channel(ch), width(w), height(h), step(s),
data(new char[s * h]) {
std::memcpy(data.get(), src, s * height);
}
// 拷贝构造函数
ImageDataSave(const ImageDataSave& other)
: channel(other.channel),
width(other.width),
height(other.height),
step(other.step),
data(other.data ? std::make_unique<char[]>(other.step * other.height) : nullptr) {
if (data) {
std::memcpy(data.get(), other.data.get(), other.step * other.height);
}
}
};
```
### 关键实现原理
1. **自赋值检查**:
```cpp
if (this != &other)
```
- 防止 `x = x` 导致的内存提前释放
- 避免不必要的内存分配和拷贝操作
2. **异常安全的内存分配**:
```cpp
std::unique_ptr<char[]> newData;
if (other.data) {
newData = std::make_unique<char[]>(other.step * other.height);
// ...
}
```
- 使用临时智能指针 `newData` 分配新内存
- 仅在内存分配成功后执行内存拷贝
- 确保原始数据不受影响(强异常安全保证)
3. **基本成员更新**:
```cpp
channel = other.channel;
width = other.width;
height = other.height;
step = other.step;
```
- 在安全更新数据指针前复制简单类型成员
- 这些操作不会抛出异常
4. **原子指针交换**:
```cpp
data.swap(newData);
```
- 使用 `swap()` 原子操作转移所有权
- 不会抛出异常(保证操作完整性)
- 旧数据由 `newData` 自动释放(离开作用域时)
### 使用示例
```cpp
int main() {
char rawData[100] = {0};
ImageDataSave img1(3, 10, 10, 10, rawData);
ImageDataSave img2(1, 5, 5, 5, nullptr);
// 拷贝赋值
img2 = img1;
// 验证深拷贝
assert(img2.data != nullptr);
assert(img2.data != img1.data); // 指针不同
assert(img2.channel == 3);
assert(img2.width == 10);
// 自赋值测试
img2 = img2; // 安全操作
assert(img2.data != nullptr);
}
```
### 异常安全分析
1. **内存分配失败**:
- `std::make_unique` 抛出 `std::bad_alloc`
- 类成员保持不变(原始数据不受影响)
- 满足强异常安全保证
2. **数据拷贝失败**:
- `std::memcpy` 不会抛出异常
- 但若使用自定义拷贝可能抛出,此时需额外处理
3. **成员更新**:
- 基本类型赋值不会抛出异常
- 指针交换不会抛出异常
---