三/五/零原则

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C++ 语言
 

三原则

如果某个类需要用户定义的析构函数、用户定义的复制构造函数或用户定义的复制赋值运算符,那么它几乎肯定需要全部三个。

因为 C++ 在各种场合(按值传递/返回、操纵容器等)对用户定义类型的对象进行复制和复制赋值时,如果这些特殊成员函数可以访问,就会调用它们,并且如果它们没有被用户定义,那么它们就会被编译器隐式定义。

如果类管理的资源的句柄不自己销毁资源(原始指针、POSIX 文件描述符等),其析构函数不执行任何操作,且复制构造函数/赋值操作符仅复制句柄的值,而不复制底层资源,则不应使用隐式定义的特殊成员函数。

#include <cstddef>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <utility>
 
class rule_of_three
{
    char* cstring; // 以裸指针为动态分配内存的句柄
 
public:
    rule_of_three(const char* s, std::size_t n)
        : cstring(new char[n + 1]) // 分配
    {
        std::memcpy(cstring, s, n); // 填充
        cstring[n] = '\0';          // 0 结尾
    }
 
    explicit rule_of_three(const char* s)
        : rule_of_three(s, std::strlen(s))
    {
    }
 
    ~rule_of_three() // I. 析构函数
    {
        delete[] cstring; // 解分配
    }
 
    rule_of_three(const rule_of_three& other) // II. 复制构造函数
        : rule_of_three(other.cstring)
    {
    }
 
    rule_of_three& operator=(const rule_of_three& other) // III. 复制赋值
    {
        if (this == &other)
            return *this;
 
        rule_of_three temp(other); // 使用复制构造函数
        std::swap(cstring, temp.cstring); // 互换底层资源
 
        return *this;
    }
 
    const char* c_str() const // 访问器
    {
        return cstring;
    }
};
 
int main()
{
    rule_of_three o1{"abc"};
    std::cout << o1.c_str() << ' ';
    auto o2{o1}; // II. 使用复制构造函数
    std::cout << o2.c_str() << ' ';
    rule_of_three o3{"def"};
    std::cout << o3.c_str() << ' ';
    o3 = o2; // III. 使用赋值赋值
    std::cout << o3.c_str() << '\n';
}   // I. 此处调用所有析构函数

输出:

abc abc def abc

通过可复制句柄来管理不可复制资源的类,可能必须将它的复制赋值和复制构造函数声明为 private 并且不提供它们的定义,或将它们定义为弃置的。这是三原则的另一种应用:只删除其一却任由其他特殊成员被隐式定义很可能会导致错误。 通过可复制的句柄管理不可复制资源的类可能必须声明复制赋值和复制构造函数为 private 并不提供它们的定义 (C++11 前)定义复制赋值和复制构造函数为 = delete (C++11 起)。这也是“三原则”的另一种应用:删除其中一个而让另一个隐式定义,通常不正确。

五原则

因为用户定义(包括 = default= delete)的析构函数、复制构造函数或复制赋值运算符,会阻止隐式定义移动构造函数移动赋值运算符,所以任何想要移动语义的类必须声明全部五个特殊成员函数:

#include <cstddef>
#include <cstring>
#include <utility>
 
class rule_of_five
{
    char* cstring; // 以裸指针为动态分配内存的句柄
 
public:
    rule_of_five(const char* s, std::size_t n)
        : cstring(new char[n + 1]) // 分配
    {
        std::memcpy(cstring, s, n); // 填充
        cstring[n] = '\0';          // 0 结尾
    }
 
    explicit rule_of_five(const char* s = "")
        : rule_of_five(s, std::strlen(s))
    {
    }
 
    ~rule_of_five() // I. 析构函数
    {
        delete[] cstring; // 解分配
    }
 
    rule_of_five(const rule_of_five& other) // II. 复制构造函数
        : rule_of_five(other.cstring)
    {
    }
 
    rule_of_five& operator=(const rule_of_five& other) // III. 复制赋值
    {
        if (this == &other)
            return *this;
 
        rule_of_five temp(other); // 使用复制构造函数
        std::swap(cstring, temp.cstring); // 互换底层资源
 
        return *this;
    }
 
    rule_of_five(rule_of_five&& other) noexcept // IV. 移动构造函数
        : cstring(std::exchange(other.cstring, nullptr))
    {
    }
 
    rule_of_five& operator=(rule_of_five&& other) noexcept // V. 移动赋值
    {
        rule_of_five temp(std::move(other));
        std::swap(cstring, temp.cstring);
    }
};

与三原则不同的是,不提供移动构造函数和移动赋值运算符通常不是错误,但会损失性能。

零原则

有自定义析构函数、复制/移动构造函数或复制/移动赋值运算符的类应该专门处理所有权(这遵循单一责任原则)。其他类都不应该拥有自定义的析构函数、复制/移动构造函数或复制/移动赋值运算符[1]

这条原则也在 C++ 核心指南(C++ Core Guidelines)中出现—— C.20:如果行为等于默认操作,就不需要定义它们

class rule_of_zero
{
    std::string cppstring;
public:
    // 多余的,隐式定义的版本更好
    // rule_of_zero(const std::string& arg) : cppstring(arg) {}
};

当有意将某个基类用于多态用途时,可能需要将它的析构函数声明为 publicvirtual。由于这会阻止生成隐式移动(并弃用隐式复制),因此必须将各特殊成员函数定义为 = default[2]

class base_of_five_defaults
{
public:
    base_of_five_defaults(const base_of_five_defaults&) = default;
    base_of_five_defaults(base_of_five_defaults&&) = default;
    base_of_five_defaults& operator=(const base_of_five_defaults&) = default;
    base_of_five_defaults& operator=(base_of_five_defaults&&) = default;
    virtual ~base_of_five_defaults() = default;
};

然而这使得类有可能被切片,这是多态类经常把复制定义 = delete 的原因(见 C++ 核心指南中的 C.67:多态类应该抑制复制操作),这带来了下列的五原则的通用说法:

C.21:如果你定义或 =delete 任何复制、移动或析构函数,则定义或 =delete 它们

外部链接

  1. “零原则”,R. Martinho Fernandes 8/15/2012
  2. “关于零原则的考虑”,Scott Meyers, 3/13/2014