使交换更快、更易于使用且异常安全

Question

我昨晚无法入睡，开始思考 std::swap。这是熟悉的 C++98 版本：

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

如果用户定义的类 Foo 使用外部资源，则效率很低。常见的习惯用法是提供一个方法 void Foo::swap(Foo& other) 和一个 std::swap 的特化。请注意，这不适用于类模板，因为您无法部分特化函数模板，并且在std命名空间中重载名称是非法的。解决方案是在自己的命名空间中编写模板函数，并依靠参数依赖查找来查找它。这主要取决于客户端是否遵循“using std::swap idiom”，而不是直接调用std::swap。非常脆。

在 C++0x 中，如果 Foo 有用户定义的移动构造函数和移动赋值运算符，则提供自定义 swap 方法和 std::swap<; Foo> 专门化几乎没有性能优势，因为 std::swap 的 C++0x 版本使用高效的移动而不是复制：

#include <utility>

template <typename T>
void swap(T& a, T& b)
{
    T c(std::move(a));
    a = std::move(b);
    b = std::move(c);
}

不必摆弄 swap< /code> 已经减轻了程序员的很多负担。 当前的编译器还不会自动生成移动构造函数和移动赋值运算符，但据我所知，这将会改变。剩下的唯一问题是异常安全，因为一般来说，移动操作是允许抛出的，这会带来一大堆蠕虫。问题“移出的对象的状态到底是什么？”让事情变得更加复杂。

然后我在想，如果一切顺利的话，C++0x 中的 std::swap 的语义到底是什么？交换前后对象的状态如何？通常，通过移动操作进行交换不会触及外部资源，只会触及“平面”对象表示本身。

那么为什么不简单地编写一个 swap 模板来完成以下任务：交换对象表示？

#include <cstring>

template <typename T>
void swap(T& a, T& b)
{
    unsigned char c[sizeof(T)];

    memcpy( c, &a, sizeof(T));
    memcpy(&a, &b, sizeof(T));
    memcpy(&b,  c, sizeof(T));
}

这是最有效的：它只是简单地清除原始内存。它不需要用户的任何干预：不需要定义特殊的交换方法或移动操作。这意味着它甚至可以在 C++98 中工作（请注意，它没有右值引用）。但更重要的是，我们现在可以忘记异常安全问题，因为 memcpy 永远不会抛出异常。

我可以看到这种方法有两个潜在的问题：

首先，并非所有对象都应该被交换。如果类设计者隐藏了复制构造函数或复制赋值运算符，则尝试交换类的对象应该会在编译时失败。我们可以简单地引入一些死代码来检查复制和赋值在类型上是否合法：

template <typename T>
void swap(T& a, T& b)
{
    if (false)    // dead code, never executed
    {
        T c(a);   // copy-constructible?
        a = b;    // assignable?
    }

    unsigned char c[sizeof(T)];

    std::memcpy( c, &a, sizeof(T));
    std::memcpy(&a, &b, sizeof(T));
    std::memcpy(&b,  c, sizeof(T));
}

任何像样的编译器都可以轻松地摆脱死代码。 （可能有更好的方法来检查“交换一致性”，但这不是重点。重要的是它是可能的）。

其次，某些类型可能在复制构造函数和复制赋值运算符中执行“不寻常”的操作。例如，他们可能会将其更改通知观察者。我认为这是一个小问题，因为此类对象可能不应该首先提供复制操作。

请告诉我您对这种交换方法的看法。在实践中它会起作用吗？你会用它吗？您能确定这会破坏的库类型吗？您还发现其他问题吗？讨论！

Answer 1

那么为什么不简单地编写一个 swap 模板来实现这一点：交换对象表示*？

对象一旦被构造，就会在复制其驻留的字节时以多种方式中断。事实上，人们可能会想出无数种看似不可行的情况事情 - 尽管在实践中它可能适用于 98% 的情况。

这是因为所有这一切的根本问题是，除了 C 语言之外，在 C++ 中我们不能将对象视为纯粹的原始字节。毕竟，这就是我们进行构造和销毁的原因：将原始存储转变为对象，并将对象变回原始存储。一旦构造函数运行，对象所在的内存就不仅仅是原始存储。如果你把它当作不存在，你就会破坏一些类型。

然而，从本质上讲，移动对象的性能不应该比您的想法差那么多，因为一旦您开始递归内联对 std::move() 的调用，您通常最终会到达 内置函数被移动。 （如果某些类型需要移动更多内容，您最好不要自己摆弄这些内存！）当然，整体移动内存通常比单个移动更快（并且编译器不太可能发现它可以将单个动作优化为一个包罗万象的 std::memcpy())，但这就是我们为不透明对象提供的抽象所付出的代价。而且它非常小，特别是当你将它与我们过去所做的复制相比时。

不过，您可以使用 std::memcpy() 针对聚合类型优化 swap()。

Answer 2

这将破坏具有指向其自身成员的指针的类实例。例如：

class SomeClassWithBuffer {
  private:
    enum {
      BUFSIZE = 4096,
    };
    char buffer[BUFSIZE];
    char *currentPos; // meant to point to the current position in the buffer
  public:
    SomeClassWithBuffer();
    SomeClassWithBuffer(const SomeClassWithBuffer &that);
};

SomeClassWithBuffer::SomeClassWithBuffer():
  currentPos(buffer)
{
}

SomeClassWithBuffer::SomeClassWithBuffer(const SomeClassWithBuffer &that)
{
  memcpy(buffer, that.buffer, BUFSIZE);
  currentPos = buffer + (that.currentPos - that.buffer);
}

现在，如果你只执行 memcpy()，currentPos 会指向哪里？显然是到旧位置。这将导致非常有趣的错误，其中每个实例实际上都使用另一个实例的缓冲区。

Answer 3

有些类型可以交换但不能复制。独特的智能指针可能是最好的例子。检查可复制性和可分配性是错误的。

如果 T 不是 POD 类型，则使用 memcpy 复制/移动是未定义的行为。

---

常见的习惯用法是提供一个方法 void Foo::swap(Foo& other) 和 std::swap的特化。请注意，这不适用于类模板，...

更好的习惯用法是非成员交换，并要求用户不合格地调用交换，因此适用 ADL。这也适用于模板：

struct NonTemplate {};
void swap(NonTemplate&, NonTemplate&);

template<class T>
struct Template {
  friend void swap(Template &a, Template &b) {
    using std::swap;
#define S(N) swap(a.N, b.N);
    S(each)
    S(data)
    S(member)
#undef S
  }
};

关键是使用 std::swap 声明作为后备。 Template 交换的友谊很好地简化了定义； NonTemplate 的交换也可能是一个朋友，但这是一个实现细节。

Answer 4

我认为这是一个小问题，因为
此类物体可能应该
没有提供复制操作
第一名。

很简单，这就是一大错误。通知观察者的类和不应该被复制的类是完全不相关的。那么shared_ptr呢？它显然应该是可复制的，但它也显然通知观察者——引用计数。现在，在这种情况下，引用计数在交换后是相同的，但对于所有类型来说绝对不是这样，尤其是如果涉及多线程，则不是这样，在常规副本而不是交换的情况等。对于可以移动或交换但不能复制的类来说，这是错误的。尤其。

因为一般来说，移动操作
允许投掷

他们肯定不可以。在几乎任何涉及移动可能抛出异常的情况下，几乎不可能保证强大的异常安全性。标准库的 C++0x 定义从内存中明确指出，任何标准容器中可用的任何类型在移动时都不得抛出异常。

这是最有效的

但这也是错误的。您假设任何对象的移动纯粹是它的成员变量 - 但可能不是全部。我可能有一个基于实现的缓存，并且我可能决定在我的类中，我不应该移动这个缓存。作为实现细节，我完全有权不移动任何我认为没有必要移动的成员变量。然而，您想要移动所有这些。

现在，您的示例代码确实应该对许多类有效。然而，对于许多完全合法的类来说，它绝对是无效的，更重要的是，如果操作可以简化为该操作，那么它无论如何都会编译为该操作。这是破坏了完美的课程，却没有任何好处。

Answer 5

如果有人将您的 swap 版本与多态类型一起使用，则会造成严重破坏。

考虑：

Base *b_ptr = new Base();    // Base and Derived contain definitions
Base *d_ptr = new Derived(); // of a virtual function called vfunc()
yourmemcpyswap( *b_ptr, *d_ptr );
b_ptr->vfunc(); //now calls Derived::vfunc, while it should call Base::vfunc
d_ptr->vfunc(); //now calls Base::vfunc while it should call Derived::vfunc
//...

这是错误的，因为现在 b 包含 Derived 类型的 vtable，因此在不是 Derived< 类型的对象上调用 Derived::vfunc /代码>。

普通的 std::swap 只交换 Base 的数据成员，因此使用 std::swap 就可以了