Язык программирования C++. Пятое издание - Стенли Липпман

Упражнение 13.21. Должны ли классы TextQuery и QueryResult определять собственные версии функций-членов управления копированием? Если да, то почему? Если нет, то почему? Реализуйте функции управления копированием, необходимые, по-вашему, в этих классах.

13.2. Управление копированием и ресурсами

Обычно классы, управляющие ресурсами, расположенными вне его, должны определять функции-члены управления копированием. Как упоминалось в разделе 13.6, такие классы нуждаются в деструкторах, освобождающих зарезервированные объектом ресурсы. Если класс нуждается в деструкторе, он почти наверняка нуждается также в конструкторе копий и операторе присвоения копии.

Чтобы определить эти функции-члены, сначала следует решить, что будет означать копирование объекта данного типа. Вообще, есть два способа: операцию копирования можно определить так, чтобы класс вел себя, как значение или как указатель.

У классов, которые ведут себя, как значения, есть собственное состояние. При копировании объекта как значения копия и оригинал независимы друг от друга. Внесенные в копию изменения никак не влияют на оригинал, и наоборот.

Классы, действующие как указатели, используют состояние совместно. При копировании объектов таких классов копии и оригиналы используют те же данные. Изменения, внесенные в копии, изменяют также оригинал, и наоборот.

Из использованных ранее библиотечных классов поведением, подобным значениям, обладали классы библиотечных контейнеров и класс string. Ничего удивительного, что класс shared_ptr демонстрирует поведение, подобное указателю, как и класс StrBlob (см. раздел 12.1.1). Типы ввода-вывода и класс unique_ptr не допускают ни копирования, ни присвоения, поэтому их поведение не похоже ни на значение, ни на указатель.

Чтобы проиллюстрировать эти два подхода, определим для используемого в упражнениях класса HasPtr функции-члены управления копированием. Сначала заставим класс действовать, как значение, а затем повторно реализуем его в версии, ведущей себя, как указатель.

У класса HasPtr есть два члена типа int и указатель на тип string. Обычно классы непосредственно копируют переменные-члены встроенного типа (кроме указателей); такие члены являются значениями, а следовательно, ведут себя обычно, как значения. Происходящее при копировании указателя-члена определяет то, должно ли у такого класса, как HasPtr, быть поведение, подобное значению или указателю.

Упражнения раздела 13.2

Упражнение 13.22. Предположим, класс HasPtr должен вести себя, как значение. Таким образом, у каждого его объекта должна быть собственная копия строки, на которую указывает объект. Определения функций-членов управления копированием рассматривается в следующем разделе, но уже сейчас известно все необходимое для их реализации. Напишите конструктор копий класса HasPtr и оператор присвоения копии прежде, чем продолжите чтение.

13.2.1. Классы, действующие как значения

Для обеспечения поведения, подобного значению, у каждого объекта должна быть собственная копия ресурса, которым управляет класс. Это значит, что у каждого объекта класса HasPtr должна быть собственная копия строки, на которую указывает указатель ps. Для реализации поведения, подобного значению, классу HasPtr нужно следующее.

• Конструктор копий, который копирует строку, а не только указатель.

• Деструктор, освобождающий строку.

• Оператор присвоения копии, освобождающий строку существующего объекта и копирующий ее значение в строку правого операнда.

Вот подобная значению версия класса HasPtr:

class HasPtr {

public:

 HasPtr(const std::string &s = std::string()):

  ps(new std::string(s)), i(0) { }

 // у каждого объекта класса HasPtr есть собственный экземпляр строки,

 // на которую указывает указатель ps

 HasPtr(const HasPtr &p) :

  ps(new std::string(*p.ps)), i(p.i) { }

 HasPtr& operator=(const HasPtr &);

 ~HasPtr() { delete ps; }

private:

 std::string *ps;

 int i;

};

Класс достаточно прост, все, кроме оператора присвоения, определено в теле класса. Первый конструктор получает (необязательный) аргумент типа string. Он динамически резервирует собственную копию этой строки и сохраняет ее адрес в указателе ps. Конструктор копий также резервирует собственный экземпляр строки. Деструктор освобождает память, зарезервированную ее конструкторами, выполняя оператор delete для указателя-члена ps.

Подобный значению оператор присвоения копии

Обычно операторы присвоения объединяют действия деструктора и конструктора копий. Подобно деструктору, оператор присвоения освобождает ресурсы левого операнда. Подобно конструктору копий, оператор присвоения копирует данные из правого операнда. Однако критически важно, чтобы эти действия осуществлялись в правильной последовательности, даже если объект присваивается сам себе. Кроме того, по возможности следует писать собственные операторы присвоения так, чтобы они оставляли левый операнд в корректном состоянии, иначе произойдет исключение (см. раздел 5.6.2).

В данном случае можно отработать случай присвоения самому себе (и сделать код устойчивым к исключению), осуществляя сначала копирование правого операнда. После копирования освобождается левый операнд и указатель модифицируется так, чтобы он указывал на вновь зарезервированную строку:

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs) {

 auto newp = new string(*rhs.ps); // скопировать строку

 delete ps; // освободить прежнюю память

 ps = newp; // копировать данные из rhs в этот объект

 i = rhs.i;

 return *this; // возвратить этот объект

};

В этом операторе присвоения, безусловно, сначала выполняется работа конструктора: инициализатор newp идентичен инициализатору ps в конструкторе копий класса HasPtr. Затем, как в деструкторе, удаляется строка, на которую в настоящее время указывает указатель ps. Остается только скопировать указатель на недавно созданную строку и значение типа int из rhs в этот объект.

Ключевая концепция. Операторы присвоения

Создавая оператор присвоения, следует учитывать два момента.

• Операторы присвоения должны работать правильно, если объект присваивается сам себе.

• Большинство операторов присвоения делят работу с деструктором и конструктором копий.

Шаблон разработки оператора присвоения подразумевает сначала копирование правого операнда в локальный временный объект. После копирования вполне безопасно удалить существующие члены левого операнда. Как только левый операнд будет освобожден, копировать данные из временного объекта в переменные-члены левого операнда.

Для иллюстрации важности принятия мер против присвоения самому себе рассмотрим, что случилось бы, выгляди оператор присвоения так:

// НЕПРАВИЛЬНЫЙ способ написания оператора присвоения!

HasPtr&

HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs) {

 delete ps; // освобождает строку, на которую указывает этот объект

 // если rhs и *this - тот же объект, произойдет копирование удаленной

 // памяти!

 ps = new string(*(rhs.ps));

 i = rhs.i;

 return *this;

}

Если rhs и этот объект совпадают, удаление ps освободит строку, на которую указывают и *this, и rhs. При попытке копирования *(rhs.ps) в операторе new этот указатель указывает уже на недопустимую область памяти. Результат непредсказуем.

Для операторов присвоения критически важно работать правильно, даже если объект присваивается сам себе. Проще всего обеспечить это, скопировав правый операнд перед удалением левого.

Упражнения раздела 13.2.1

Упражнение 13.23. Сравните функции-члены управления копированием, написанные для решения упражнений предыдущего раздела, с кодом, представленным здесь. Убедитесь, что понимаете различия, если таковые вообще есть, между вашим кодом и приведенным в книге.

Упражнение 13.24. Что будет, если в версии класса HasPtr данного раздела не определен деструктор? Что если не определен конструктор копий?

Упражнение 13.25. Предположим, необходимо определить версию класса StrBlob, действующего как значение. Предположим также, что необходимо продолжить использовать указатель shared_ptr, чтобы класс StrBlobPtr все еще мог использовать указатель weak_ptr для вектора. Переделанный класс будет нуждаться в конструкторе копий и операторе присвоения копии, но не в деструкторе. Объясните, что должны делать конструктор копий и оператор присвоения копий. Объясните, почему класс не нуждается в деструкторе.