更多 C++ 慣用法/非丟擲交換

非丟擲交換

意圖

• 實現一個異常安全的、高效的交換操作。
• 為其提供統一的介面以促進泛型程式設計。

也稱為

• 異常安全的交換

動機

交換的典型實現如下所示

template<class T>
void swap (T &a, T &b)
{
  T temp (a);
  a = b;
  b = temp;
}

這存在兩個問題

效能

由於為中間臨時物件獲取和釋放資源，交換兩個大型、複雜且型別相同的物件效率低下。

異常安全性

如果資源不可用，此泛型交換實現可能會丟擲異常。（這種行為沒有意義，因為實際上不應該請求任何新的資源。）因此，此實現不能用於複製並交換 慣用法。

解決方案和示例程式碼

非丟擲交換慣用法使用控制代碼主體 慣用法來實現所需的效果。正在考慮的抽象被拆分為兩個實現類。一個是控制代碼，另一個是主體。控制代碼儲存指向主體物件的指標。交換被實現為指標的簡單交換，保證不會丟擲異常，並且非常高效，因為不會獲取或釋放任何新資源。

namespace Orange {
class String 
{
    char * str;
  public:
    void swap (String &s) // noexcept
    {
      std::swap (this->str, s.str);
    }
};
}

儘管可以實現高效且異常安全的交換函式（如上所示）作為成員函式，但非丟擲交換慣用法更進一步，以實現簡單性、一致性和促進泛型程式設計。應該在 std 名稱空間以及類的名稱空間中新增 std::swap 的顯式特化。

namespace Orange { // namespace of String
  void swap (String & s1, String & s2) // noexcept
  {
    s1.swap (s2);
  }
}
namespace std {
  template <>
  void swap (Orange::String & s1, Orange::String & s2) // noexcept
  {
    s1.swap (s2);
  }
}

在兩個地方新增它將處理兩種不同的常見交換使用方式（1）非限定交換（2）完全限定交換（例如，std::swap）。當使用非限定交換時，使用 Koenig 查詢查詢正確的交換（如果已經定義）。如果使用完全限定交換，則會抑制 Koenig 查詢，而是使用 std 名稱空間中的交換。這是一種非常常見的做法。這裡剩餘的討論只使用完全限定的交換。它提供了一種統一的外觀和感覺，因為 C++ 程式設計師通常以慣用的方式使用交換函式，將其完全限定為std::，如下所示。

template <class T>
void zoo (T t1, T t2) {
//...
int i1, i2;
std::swap(i1,i2); // note uniformity
std::swap(t1,t2); // Ditto here
}

在這種情況下，當 zoo 使用前面定義的 String 類例項化時，會選擇正確的、有效的交換實現。否則，將例項化預設的 std::swap 函式模板——完全違背了定義成員交換和名稱空間範圍交換函式的目的。在泛型程式設計中，這種在 std 名稱空間中定義交換的顯式特化的慣用法特別有用。

使用非丟擲交換慣用法的這種統一性會導致其級聯使用，如以下示例所示。

class UserDefined 
{
    String str;
  public:
    void swap (UserDefined & u) // noexcept
    { 
      std::swap (str, u.str); 
    }
};
namespace std
{
  // Full specializations of the templates in std namespace can be added in std namespace.
  template <>
  void swap (UserDefined & u1, UserDefined & u2) // noexcept
  {
    u1.swap (u2);
  }
}
class Myclass
{
    UserDefined u;
    char * name;
  public:
    void swap (Myclass & m) // noexcept
    {
      std::swap (u, m.u);       // cascading use of the idiom due to uniformity
      std::swap (name, m.name); // Ditto here
    }   
}
namespace std
{
   // Full specializations of the templates in std namespace can be added in std namespace.
   template <> 
   void swap (Myclass & m1, Myclass & m2) // noexcept
   {
     m1.swap (m2);
   }
};

因此，為適合異常安全、高效交換實現的型別定義 std::swap 的特化是一個好主意。當前的 C++ 標準不允許我們在 std 名稱空間中新增新的模板，但允許我們對該名稱空間中的模板（例如 std::swap）進行特化，並將它們添加回其中。

注意事項

對模板類（例如，Matrix<T>）使用非丟擲交換慣用法可能會是一個微妙的問題。根據 C++98 標準，只有 std::swap 的完全特化才允許在 std 名稱空間中為使用者定義的型別定義。語言不允許部分特化或函式過載。嘗試對模板類（例如，Matrix<T>）實現類似的效果會導致 std 名稱空間中 std::swap 的過載，從技術上講這是未定義的行為。正如 comp.lang.c++.moderated 新聞組中一些人在一段異常長的討論執行緒中指出的那樣，這並不一定是理想的狀態。^[1] 有兩種可能的解決方案，兩者都不完美，可以解決此問題

1. 符合標準的解決方案。利用 Koenig 查詢，在與正在交換的類相同的名稱空間中定義一個過載的交換函式模板。並非所有編譯器都可能正確支援它，但此解決方案符合標準。^[2]
2. Fingers-crossed 解決方案。部分特化 std::swap 並忽略從技術上講這是未定義的行為，希望不會發生任何事情，並等待下一個語言標準中的修復。

已知用途

所有 boost 智慧指標（例如，boost::shared_ptr）

相關慣用法

• 複製並交換