概観
コピーアンドスワップのイディオムが必要なのはなぜですか？
リソースを管理するクラス（スマートポインターのようなラッパー）は、ビッグスリーを実装する必要があります。コピーコンストラクターとデストラクターの目標と実装は単純ですが、コピー代入演算子は間違いなく最も微妙で難しいものです。どのようにすればよいですか？どのような落とし穴を避ける必要がありますか？
コピーおよびスワップイディオムはソリューションであり、そしてエレガントに二つのことを達成するために、代入演算子を支援：回避コードの重複を、そして提供する強力な例外保証を。
どのように機能しますか？
概念的には、コピーコンストラクタの機能を使用してデータのローカルコピーを作成し、コピーしたデータをswap関数で取得して、古いデータを新しいデータと交換します。次に、一時的なコピーが破棄され、古いデータがそれとともに取得されます。新しいデータのコピーが残ります。
コピーアンドスワップイディオムを使用するには、3つのものが必要です。有効なコピーコンストラクター、有効なデストラクタ（どちらもラッパーの基礎であり、いずれにしても完全である必要があります）、およびswap関数です。
swap関数は、クラスの2つのオブジェクト（member for member）を交換する非スロー関数です。std::swap独自のものを提供する代わりに使用したくなるかもしれませんが、これは不可能です。std::swap実装内でコピーコンストラクターとコピー代入演算子を使用しており、最終的には代入演算子をそれ自体で定義しようとしています！
（それだけでなく、への修飾されていない呼び出しswapは、カスタムスワップオペレーターを使用し、必要とstd::swapなるクラスの不要な構築と破棄をスキップします。）
詳細な説明
目標
具体的なケースを考えてみましょう。そうでなければ役に立たないクラスで、動的配列を管理したいのです。まずは、動作するコンストラクター、コピーコンストラクター、デストラクターから始めます。
#include <algorithm> // std::copy
#include <cstddef> // std::size_t
class dumb_array
{
public:
// (default) constructor
dumb_array(std::size_t size = 0)
: mSize(size),
mArray(mSize ? new int[mSize]() : nullptr)
{
}
// copy-constructor
dumb_array(const dumb_array& other)
: mSize(other.mSize),
mArray(mSize ? new int[mSize] : nullptr),
{
// note that this is non-throwing, because of the data
// types being used; more attention to detail with regards
// to exceptions must be given in a more general case, however
std::copy(other.mArray, other.mArray + mSize, mArray);
}
// destructor
~dumb_array()
{
delete [] mArray;
}
private:
std::size_t mSize;
int* mArray;
};
このクラスは配列をほぼ正常に管理しますがoperator=、正しく機能する必要があります。
失敗したソリューション
素朴な実装は次のようになります。
// the hard part
dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
if (this != &other) // (1)
{
// get rid of the old data...
delete [] mArray; // (2)
mArray = nullptr; // (2) *(see footnote for rationale)
// ...and put in the new
mSize = other.mSize; // (3)
mArray = mSize ? new int[mSize] : nullptr; // (3)
std::copy(other.mArray, other.mArray + mSize, mArray); // (3)
}
return *this;
}
そして、私たちは完成したと言います。これはリークなしでアレイを管理するようになりました。ただし、3つの問題があり、コード内で順次とマークされています(n)。
1つは自己割り当てテストです。このチェックには2つの目的があります。これは、自己割り当て時に不要なコードが実行されるのを防ぐ簡単な方法であり、微妙なバグ（配列を削除してそれをコピーするだけなど）から保護します。しかし、他のすべての場合では、それは単にプログラムを遅くし、コードのノイズとして機能するだけです。自己割り当てはめったに発生しないため、ほとんどの場合、このチェックは無駄です。オペレーターがそれなしで適切に作業できれば、より良いでしょう。
2つ目は、基本的な例外保証のみを提供することです。場合はnew int[mSize]失敗し、*this変更されています。（つまり、サイズが間違っていて、データがなくなっています！）強力な例外保証のためには、次のようなものである必要があります。
dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
if (this != &other) // (1)
{
// get the new data ready before we replace the old
std::size_t newSize = other.mSize;
int* newArray = newSize ? new int[newSize]() : nullptr; // (3)
std::copy(other.mArray, other.mArray + newSize, newArray); // (3)
// replace the old data (all are non-throwing)
delete [] mArray;
mSize = newSize;
mArray = newArray;
}
return *this;
}
コードが拡張されました！これが3番目の問題、つまりコードの重複につながります。私たちの代入演算子は、既に他の場所で記述したすべてのコードを効果的に複製します。それはひどいことです。
私たちの場合、その中心はたった2行（割り当てとコピー）ですが、より複雑なリソースでは、このコードの膨張はかなり面倒な場合があります。私たちは自分自身を繰り返さないように努めるべきです。
（1つのリソースを正しく管理するためにこれだけ多くのコードが必要な場合、クラスが複数のリソースを管理する場合はどうなりますか？これは有効な懸念事項であるように見えるかもしれませんが、実際には重要なtry/ catch句が必要ですが、これは非-問題。これは、クラスが1つのリソースのみを管理する必要があるためです！）
成功したソリューション
前述のように、コピーアンドスワップイディオムはこれらの問題をすべて修正します。しかし、現時点では、1つを除くすべての要件がありswapます。それは関数です。3つのルールには、コピーコンストラクター、代入演算子、およびデストラクターの存在が必要ですが、実際には「ビッグスリーアンドハーフ」と呼ばれるべきです。クラスがリソースを管理するときはいつでも、swap関数を提供することにも意味があります。 。
クラスにスワップ機能を追加する必要があり、次のように実行します†：
class dumb_array
{
public:
// ...
friend void swap(dumb_array& first, dumb_array& second) // nothrow
{
// enable ADL (not necessary in our case, but good practice)
using std::swap;
// by swapping the members of two objects,
// the two objects are effectively swapped
swap(first.mSize, second.mSize);
swap(first.mArray, second.mArray);
}
// ...
};
（ここで説明する理由があるpublic friend swap。）今、我々は交換することができないだけdumb_arrayのを、一般的にはスワップは、より効率的にすることができます。配列全体を割り当ててコピーするのではなく、ポインタとサイズを交換するだけです。機能と効率のこのボーナスを除けば、コピーアンドスワップイディオムを実装する準備が整いました。
さらに苦労することなく、私たちの代入演算子は次のとおりです。
dumb_array& operator=(dumb_array other) // (1)
{
swap(*this, other); // (2)
return *this;
}
以上です！一挙に3つの問題すべてがエレガントに同時に対処されます。
なぜ機能するのですか？
最初に重要な選択に気づきます。パラメーター引数はby-valueを取ります。同じように簡単に次のことを実行できます（実際、イディオムの多くの単純な実装が実行します）。
dumb_array& operator=(const dumb_array& other)
{
dumb_array temp(other);
swap(*this, temp);
return *this;
}
重要な最適化の機会を失う。それだけでなく、この選択は、後で説明するC ++ 11では重要です。（一般的な注意として、非常に役立つガイドラインは次のとおりです：関数内の何かのコピーを作成する場合は、コンパイラーにパラメーターリストで実行させます。‡）
どちらの方法でも、リソースを取得するこの方法が、コードの重複をなくすための鍵となります。コピーコンストラクターのコードを使用してコピーを作成するため、コピーを繰り返す必要がありません。コピーが作成されたので、交換する準備ができました。
関数に入ると、すべての新しいデータがすでに割り当てられ、コピーされ、使用できる状態になっていることを確認します。これにより、無料で強力な例外保証が提供されます。コピーの構築に失敗した場合は関数に入ることができないため、の状態を変更することはできません*this。（以前は強力な例外保証のために手動で行っていましたが、コンパイラーが今やってくれています。
この時点では、swap投棄されていないため、家はありません。現在のデータをコピーしたデータと入れ替えて、安全に状態を変更します。古いデータは一時ファイルに入れられます。関数が戻ると、古いデータが解放されます。（パラメーターのスコープが終了し、そのデストラクターが呼び出される場所。）
イディオムはコードを繰り返さないため、オペレーター内にバグを導入することはできません。これは、自己割り当てチェックが不要になり、の単一の統一実装が可能になることを意味していますoperator=。（さらに、非自己割り当てのパフォーマンスペナルティはなくなりました。）
そして、それがコピーアンドスワップのイディオムです。
C ++ 11はどうですか？
C ++の次のバージョンであるC ++ 11では、リソースの管理方法に1つの非常に重要な変更が加えられています。3つのルールは4つのルール（および半分）になりました。どうして？リソースをコピー構築できる必要があるだけでなく、リソースも移動構築する必要があります。
幸いにも、これは簡単です。
class dumb_array
{
public:
// ...
// move constructor
dumb_array(dumb_array&& other) noexcept ††
: dumb_array() // initialize via default constructor, C++11 only
{
swap(*this, other);
}
// ...
};
何が起きてる？move-constructionの目標を思い出してください。クラスの別のインスタンスからリソースを取得し、割り当て可能で破壊可能であることが保証された状態のままにします。
したがって、私たちが行ったことは単純です。デフォルトのコンストラクター（C ++ 11機能）を介して初期化し、次にとスワップしotherます。クラスのデフォルトで構築されたインスタンスを安全に割り当て、破棄otherできることがわかっているので、スワッピング後に同じことができるようになります。
（一部のコンパイラーはコンストラクターの委任をサポートしていないことに注意してください。この場合、手動でデフォルトでクラスを作成する必要があります。これは残念ながら幸運なことに簡単な作業です。）
なぜそれが機能するのですか？
これがクラスに加える必要がある唯一の変更です。なぜそれが機能するのですか？パラメータを参照ではなく値にするという重要な決定を思い出してください。
dumb_array& operator=(dumb_array other); // (1)
現在、otherが右辺値で初期化されている場合は、move-constructedになります。完璧です。C ++ 03が引数by-valueを使用してコピーコンストラクター機能を再利用できるように、C ++ 11 も適切な場合にmove-constructor を自動的に選択します。（そしてもちろん、以前にリンクされた記事で述べたように、値のコピー/移動は単に完全に省略されるかもしれません。）
そして、コピーアンドスワップのイディオムはこれで終わりです。
脚注
*なぜmArraynull に設定するのですか？演算子のコードがさらにスローされると、デストラクタdumb_arrayが呼び出される可能性があるためです。nullに設定せずにそれが発生した場合、すでに削除されているメモリを削除しようとします！nullを削除することは操作ではないので、nullに設定することでこれを回避します。
†あり、我々は特化すべきであることを他の主張しているstd::swap私たちのタイプについては、クラスを提供、swapに沿って側フリー機能swapなどを、しかし、これはすべて不要です。任意の適切な使用は、swap非修飾呼び出しを通してなり、私たちの機能は次のようになりますADLで見つかりました。1つの関数が行います。
‡理由は簡単です。リソースを自分に割り当てたら、必要な場所に入れ替えたり移動したりできます（C ++ 11）。また、パラメーターリストにコピーを作成することで、最適化を最大化できます。
††ムーブコンストラクターは通常である必要がありますnoexcept。そうでない場合、一部のコード（たとえば、std::vectorサイズ変更ロジック）は、ムーブが意味をなす場合でもコピーコンストラクターを使用します。もちろん、内部のコードが例外をスローしない場合を除いて、それだけをマークしないでください。
