在C++中，賦值與交換法則（Assignment and Swap Idiom）通常指的是在實現類的賦值操作符（operator=）時，結合拷貝構造和交換操作來確保強異常安全保證（Strong Exception Safety Guarantee）的一種設計模式。這種模式也被稱為Copy-and-Swap Idiom。它是一種優雅且高效的方式，用于實現賦值操作符，同時避免資源泄漏和異常不安全的情況。
核心概念
Copy-and-Swap Idiom 的核心是通過拷貝構造創建一個臨時對象，然后通過交換操作將臨時對象的內容與當前對象的內容交換，從而完成賦值操作。這種方法利用了C++的資源管理機制（RAII）和異常安全特性。
實現步驟
以下是 Copy-and-Swap Idiom 的典型實現步驟：
- 定義拷貝構造函數：創建一個新的對象，深拷貝傳入對象的數據。
- 定義交換函數（swap）：通常是一個成員函數或友元函數，用于無異常地交換兩個對象的內容（通常使用
std::swap或自定義交換邏輯）。 - 定義賦值操作符：通過拷貝構造和交換實現賦值。
代碼示例
以下是一個完整的實現示例：
#include <algorithm> // for std::swap
#include <cstddef> // for size_tclass MyString {
private:char* data_;size_t length_;public:// 構造函數MyString(const char* str = "") : data_(nullptr), length_(0) {length_ = std::strlen(str);data_ = new char[length_ + 1];std::strcpy(data_, str);}// 拷貝構造函數MyString(const MyString& other) : data_(nullptr), length_(0) {length_ = other.length_;data_ = new char[length_ + 1];std::strcpy(data_, other.data_);}// 析構函數~MyString() {delete[] data_;}// 交換函數（無異常拋出）friend void swap(MyString& lhs, MyString& rhs) noexcept {std::swap(lhs.data_, rhs.data_);std::swap(lhs.length_, rhs.length_);}// 賦值操作符（Copy-and-Swap Idiom）MyString& operator=(MyString other) {swap(*this, other);return *this;}// 其他方法（例如打印內容）void print() const {std::cout << data_ << std::endl;}
};// 測試代碼
int main() {MyString a("Hello");MyString b("World");a.print(); // 輸出: Hellob.print(); // 輸出: Worlda = b; // 賦值操作a.print(); // 輸出: Worldreturn 0;
}
工作原理
- 拷貝構造：在賦值操作
a = b中，參數MyString other是按值傳遞的，這會調用拷貝構造函數創建一個臨時對象other，該對象是b的深拷貝。 - 交換：
swap(*this, other)將當前對象（*this）的內容與臨時對象other的內容交換。由于swap是無異常拋出的（noexcept），這一步是安全的。 - 銷毀臨時對象：臨時對象
other在離開作用域時自動銷毀，其析構函數會清理原來*this的資源（因為它們已被交換到other中）。
優點
- 強異常安全保證：如果拷貝構造函數拋出異常，
*this的狀態不會被修改，因為交換操作本身是無異常的。 - 代碼簡潔：將拷貝和賦值邏輯統一到拷貝構造函數和
swap函數中，減少代碼重復。 - 資源管理安全：通過 RAII（資源獲取即初始化），確保資源（如動態分配的內存）在異常情況下也能正確釋放。
注意事項
- 性能考慮：Copy-and-Swap 需要一次拷貝構造和一次交換，相比直接賦值可能有輕微性能開銷。但在現代 C++ 中，編譯器優化（如 NRVO）通常能減少不必要的拷貝。
- 適用場景：這種模式適用于管理動態資源（如內存、文件句柄等）的類。如果類沒有動態資源，可能不需要如此復雜的實現。
- 移動語義：在 C++11 及以上版本中，可以結合移動構造函數和移動賦值操作符進一步優化性能，但 Copy-and-Swap 仍然是一個可靠的通用解決方案。
擴展：結合移動語義
在 C++11 及以上，賦值操作符可以接受右值引用以支持移動語義，通常仍可通過 Copy-and-Swap Idiom 實現：
MyString& operator=(MyString other) noexcept {swap(*this, other);return *this;
}
這里的 other 可以是左值（觸發拷貝）或右值（觸發移動），編譯器會自動選擇合適的構造函數。
總結
C++ 的賦值與交換法則（Copy-and-Swap Idiom）通過拷貝構造和交換操作實現賦值操作符，提供強異常安全保證和簡潔的代碼結構。它是 C++ 中處理資源管理的標準模式之一，廣泛應用于需要深拷貝的類設計中。
