C++ 拷贝交换技术示例

拷贝交换技术（copy and swap）是什么，网上估计能查到很多。但网上有点难找到完整的演示代码，所以这里记录一下。难点在于：

1. 如果要满足 5 的原则，我到底要写那些函数？
   默认构造函数、复制构造函数、析构函数、swap 函数。剩下三个函数是固定模板（boilerplate），不用写与类相关的代码。由于两种重载赋值运算符合并成一个了，所以只剩两个函数需要写固定模板。
2. 哪些是 noexcept 的？
   必须是 noexcept 的函数：移动构造函数，重载赋值运算符（注意只剩一个了），交换函数。
3. 交换函数和 std::swap 的关系如何？
   必须自己写一个属于这个类的交换函数，在实现拷贝交换技术时不能调用 std::swap。在类外面，可以通过 using std::swap; 的方法，让编译器优先选用自己实现 swap 函数，如不存在，再回退到 std::swap；在类外面也可以直接都用 std::swap，无所谓。

#include  // assert
#include  // swap

class Demo {
	using Self = Demo;

public:
	int ichi{}; // Note 1: 这里初始化为 0，又在默认构造函数初始化为 1，是为了说明委托默认构造函数的作用。特别地，如果存在成员没有用大括号初始化，就更需要委托默认构造函数完成所有成员的初始化。
	// 要么为 nullptr，要么为大小为 1 的数组。
	int* ein{};

public:
	// Note 2: 默认构造函数是否是 constexpr, noexcept 的，视实际情况而定。
	constexpr Demo() noexcept : ichi{ 1 }, ein{ nullptr } {}
	// Note 3: 复制构造函数通常涉及内存分配，一般不是 noexcept 的。
	Demo(const Self& other) : Demo() { // Note 4: 需要委托默认构造函数，见 Note 1。不委托无法通过 assert。
		assert(ichi == 1);
		assert(ein == nullptr);
		ichi = other.ichi;
		if (other.ein) {
			ein = new int[ichi] { other.ein[0] };
		}
	}

	// Note 5: 使用拷贝交换技术，需要实现 swap 的函数。
	// Note 6: swap 函数应当是 noexcept 的。
	friend void swap(Self& a, Self& b) noexcept {
		// Note 7: 交换成员对象时，可以优先使用类型自己定义的友元函数 swap，不存在才回退到 std::swap。
		using std::swap;
		swap(a.ichi, b.ichi);
		swap(a.ein, b.ein);
	}

	// Note 8: 移动构造函数应当是 noexcept 的。
	Demo(Self&& other) noexcept : Demo() { // Note 9: 需要委托默认构造函数，见 Note 1。不委托无法通过 assert。
		assert(ichi = 1);
		assert(ein == nullptr);
		swap(*this, other); // Note 10: 使用拷贝交换技术时，必须使用自己定义的友元函数，绝不要使用 std::swap。
	}
	// Note 11: 重载赋值运算符可以只写一个，且应当是 noexcept 的。异常在复制构造函数中发生，不在赋值运算符中发生。
	Self& operator=(Self other) noexcept {
		swap(*this, other); // Note 12: 使用拷贝交换技术时，必须使用自己定义的友元函数，绝不要使用 std::swap。
		return *this;
	}

	// Note 13: 析构函数是否是 constexpr 的，视情况而定。
	constexpr ~Demo() { // Note 14: 析构函数默认总是 noexcept 的，不写。
		if (ein) {
			delete[] ein;
		}
	}
};

int main() {
	// 测试 constexpr 默认构造。
	constexpr Demo default_obj;
	static_assert(default_obj.ichi == 1);

	// 测试默认构造。
	Demo allocated_obj;
	allocated_obj.ein = new int[1] { 114514 };

	{
		// 测试复制构造。
		Demo test_copy_constructor = allocated_obj;
		assert(test_copy_constructor.ein[0] == 114514);
		assert(allocated_obj.ein[0] == 114514);

		// 测试移动构造。
		Demo test_move_constructor = std::move(test_copy_constructor);
		assert(test_move_constructor.ein[0] == 114514);
		assert(test_copy_constructor.ein == nullptr);
	}
	{
		// 测试复制赋值。
		Demo test_copy_assignment;
		test_copy_assignment = allocated_obj;
		assert(allocated_obj.ein[0] == 114514);

		// 测试移动赋值。
		Demo test_move_assignment;
		test_move_assignment = std::move(test_copy_assignment);
		assert(test_move_assignment.ein[0] == 114514);
		assert(test_copy_assignment.ein == nullptr);
	}
}