Язык программирования C++. Пятое издание - Стенли Липпман

Подобно классу string (и другим библиотечным классам), наши собственные классы могут извлечь пользу из способности перемещения ресурсов вместо копирования. Чтобы позволить собственным типам операции перемещения, следует определить конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении. Эти члены подобны соответствующим функциям копирования, но они захватывают ресурсы заданного объекта, а не копируют их.

Как и у конструктора копий, у конструктора перемещения есть начальный параметр, являющийся ссылкой на тип класса. В отличие от конструктора копии, ссылочный параметр конструктора перемещения является ссылкой на r-значение. Подобно конструктору копий, у всех дополнительных параметров должны быть аргументы по умолчанию.

Кроме перемещения ресурсов, конструктор перемещения должен гарантировать такое состояние перемещенного объекта, при котором его удаление будет безопасно. В частности, сразу после перемещения ресурса оригинальный объект больше не должен указывать на перемещенный ресурс, ответственность за него принимает вновь созданный объект. 

В качестве примера определим конструктор перемещения для класса StrVec, чтобы перемещать, а не копировать элементы из одного объекта класса StrVec в другой:

StrVec::StrVec(StrVec &&s) noexcept // перемещение не будет передавать

                                    // исключений

 // инициализаторы членов получают ресурсы из s

 : elements(s.elements), first_free(s.first_free), cap(s.cap) {

 // оставить s в состоянии, при котором запуск деструктора безопасен

 s.elements = s.first_free = s.cap = nullptr;

}

Оператор noexcept (уведомляющий о том, что конструктор не передает исключений) описан ниже, а пока рассмотрим, что делает этот конструктор.

В отличие от конструктора копий, конструктор перемещения не резервирует новую память; он получает ее от заданного объекта класса StrVec. Получив область памяти от своего аргумента, тело конструктора присваивает указателям заданного объекта значение nullptr. После перемещения оригинальный объект продолжает существовать. В конечном счете оригинальный объект будет удален, а значит, будет выполнен его деструктор. Деструктор класса StrVec вызывает функцию deallocate() для указателя first_free. Если забыть изменить указатель s.first_free, то удаление оригинального объекта освободит область памяти, которая была только что передана.

Операции перемещения, библиотечные контейнеры и исключения

Поскольку операция перемещения выполняется при "захвате" ресурсов, она обычно не резервирует ресурсы. В результате операции перемещения обычно не передают исключений. Когда создается функция перемещения, неспособная передавать исключения, об этом факте следует сообщить библиотеке. Как будет описано вскоре, если библиотека не знает, что конструктор перемещения не будет передавать исключений, она предпримет дополнительные меры по отработке возможности передачи исключения при перемещении объекта этого класса.

Один из способов сообщить об этом библиотеке — определить оператор noexcept в конструкторе. Введенный новым стандартом оператор noexcept подробно рассматривается в разделе 18.1.4, а пока достаточно знать, что он позволяет уведомить, что функция не будет передавать исключений. Оператор noexcept указывают после списка параметров функции. В конструкторе его располагают между списком параметров и символом :, начинающим список инициализации конструктора:

class StrVec {

public:

 StrVec(StrVec&&) noexcept; // конструктор перемещения

                            // другие члены, как прежде

};

StrVec::StrVec(StrVec &&s) noexcept : /* инициализаторы членов */

{ /* тело конструктора */ }

Оператор noexcept следует объявить и в заголовке класса, и в определении, если оно расположено вне класса.

Конструкторы перемещения и операторы присваивания при перемещении, которые не могут передавать исключения, должны быть отмечены как noexcept.

Понимание того, почему необходим оператор noexcept, может помочь углубить понимание того, как библиотека взаимодействует с объектами написанных вами типов. В основе требования указывать, что функция перемещения не будет передавать исключения, лежат два взаимосвязанных факта: во- первых, хотя функции перемещения обычно не передают исключений, им это разрешено. Во-вторых, библиотечные контейнеры предоставляют гарантии относительно того, что они будут делать в случае исключения. Например, класс vector гарантирует, что, если исключение произойдет при вызове функции push_back(), сам вектор останется неизменным.

Теперь рассмотрим происходящее в функции push_back(). Подобно соответствующей функции класса StrVec (см. раздел 13.5), функция push_back() класса vector могла бы потребовать пересоздания вектора. При пересоздании вектор перемещает элементы из прежней своей области памяти в новую, как в функции reallocate() (см. раздел 13.5).

Как только что упоминалось, перемещение объекта обычно изменяет состояние оригинального объекта. Если пересоздание использует конструктор перемещения и этот конструктор передает исключение после перемещения некоторых, но не всех элементов, возникает проблема. Перемещенные элементов в прежнем пространстве были бы изменены, а незаполненные элементы в новом пространстве еще не будут созданы. В данном случае класс vector не удовлетворял бы требованию оставаться неизменным при исключении.

С другой стороны, если класс vector использует конструктор копий, то при исключении он может легко удовлетворить это требование. В данном случае, пока элементы создаются в новой памяти, прежние элементы остаются неизменными. Если происходит исключение, вектор может освободить зарезервированное пространство (оно могло бы и не быть успешно зарезервировано) и прекратить операцию. Элементы оригинального вектора все еще существуют.

Во избежание этой проблемы класс vector должен использовать во время пересоздания конструктор копий вместо конструктора перемещения, если только не известно, что конструктор перемещения типа элемента не может передать исключение. Если необходимо, чтобы объекты типа были перемещены, а не скопированы при таких обстоятельствах, как пересоздание вектора, то следует явно указать библиотеке, что использовать конструктор перемещения безопасно. Для этого конструктор перемещения (и оператора присваивания при перемещении) следует отметить как noexcept.

Оператор присваивания при перемещении

Оператор присваивания при перемещении делает то же, что и деструктор с конструктором перемещения. Подобно конструктору перемещения, если оператор присваивания при перемещении не будет передавать исключений, то его следует объявить как noexcept. Подобно оператору присвоения копии, оператор присваивания при перемещении должен принять меры против присвоения себя себе:

StrVec &StrVec::operator=(StrVec &&rhs) noexcept {

 // прямая проверка на присвоение себя себе

 if (this != &rhs) {

  free(); // освободить существующие элементы

  elements = rhs.elements; // получить ресурсы от rhs

  first_free = rhs.first_free;

  cap = rhs.cap;

  // оставить rhs в удаляемом состоянии

  rhs.elements = rhs.first_free = rhs.cap = nullptr;

 }

 return *this;

}

В данном случае осуществляется прямая проверка совпадения адресов в указателях rhs и this. Если это так, то правый и левый операнды относятся к тому же объекту, и делать ничего не надо. В противном случае следует освободить память, которую использовал левый операнд, а затем принять память от заданного объекта. Как и в конструкторе перемещения, указателю rhs присваивается значение nullptr.

Может показаться удивительным, что мы потрудились проверить присвоение себя самому. В конце концов, присваивание при перемещении требует для правого операнда r-значения. Проверка осуществляется потому, что то r-значение могло быть результатом вызова функции move(). Подобно любому другому оператору присвоения, крайне важно не освобождать ресурсы левого операнда прежде, чем использовать (возможно, те же) ресурсы правого операнда.

Исходный объект перемещения должен быть в удаляемом состоянии

Перемещение объекта не удаляет его оригинал: иногда после завершения операции перемещения оригинальный объект следует удалить. Поэтому, создавая функцию перемещения, следует гарантировать, что после перемещения оригинальный объект будет находиться в состоянии, допускающем запуск деструктора. Функция перемещения класса StrVec выполняет это требование и присваивает указателям-членам оригинального объекта значение nullptr.