Cvičení 6: Kopie a přesuny

Kopie a přesuny jsou nejběžnější operace v každém programovacím jazyce. Často si ani neuvědomujeme, že tyto operace využíváme a automaticky předpokládáme, že se vykonají správně. Vzpomeňme například operaci přiřazení =. Vykonalo se přiřazení vždy, když jste ho použili správně? Podívejme se na příklad v jazyce Python.

Vzpomeňme na seznamy definované v Pythonu, například:

old_list = [[1, 2, 3], [4, 5, 'a'], [7, 8]]

new_list = old_list

new_list[1][2] = 9

Old List: [[1, 2, 3], [4, 5, 9], [7, 8]]
New List: [[1, 2, 3], [4, 5, 9], [7, 8]]

new_list.append('C++')

Old List: [[1, 2, 3], [4, 5, 9], [7, 8], 'C++']
New List: [[1, 2, 3], [4, 5, 9], [7, 8], 'C++']

new_list.pop(1)

Old List: [[1, 2, 3], [7, 8], 'C++']
New List: [[1, 2, 3], [7, 8], 'C++']

Pro nezávislou práci s oběma seznamy potřebujeme vytvořit kopii původního seznamu:

new_list = copy.deepcopy(old_list)

new_list[1][2] = 9

Old List: [[1, 2, 3], [4, 5, 'a'], [7, 8]]
New List: [[1, 2, 3], [4, 5, 9], [7, 8]]

new_list.append('C++')

Old List: [[1, 2, 3], [4, 5, 'a'], [7, 8]]
New List: [[1, 2, 3], [4, 5, 9], [7, 8], 'C++']

new_list.pop(1)

Old List: [[1, 2, 3], [4, 5, 'a'], [7, 8]]
New List: [[1, 2, 3], [7, 8], 'C++']

V C++ lze kopie vytvářet přímo přiřazovacím příkazem. Způsob, jak kopii vytvořit, definuje kopírující konstruktor.

Zopakujme si, jaké typy proměnných a parametrů se mohou vyskytovat v jazyce C++.

Kopírování je nejběžnější operace v C++. Ke kopírování dochází vždy, když použijeme operátor přiřazení =, ale také v jiných situacích; třeba tehdy, když vytváříme nový objekt z jiného.

Pojďme se nejdříve zaměřit na případ, že vytváříme nový objekt z jiného, již existujícího objektu. Vzniklý objekt nazýváme kopie.

void foo(int c) {
    // ...
}
 
int main() {
    int i = 13;
 
    int a = i;  // a je kopie i
    int b(i);   // b je kopie i
    foo(i);     // c je kopie i
}

Funkce, která zajišťuje tvorbu kopií, se nazývá kopírující konstruktor. Podobně jako základní konstruktor i kopírující konstruktor je automaticky vytvořen kompilátorem, pokud nenapíšeme vlastní. Díky tomu je možné vytvářet kopie vlastních typů, aniž bychom kopírující konstruktor museli psát:

struct MyStruct {
    int a;
    double b;
};
 
void foo(MyStruct c) {
    // ...
}
 
int main() {
    MyStruct i = { 11, 2.9 };
 
    MyStruct a = i; // a je kopie i
    MyStruct b(i);  // b je kopie i
    foo(i);         // c je kopie i
}

U některých tříd je kompilátorem generovaný kopírující konstruktor nežádoucí.

• Stáhněte si soubor: Zip Coliru
• Zkompilujte program a spusťte ho. Co se stane?
• Pokuste se chování programu vysvětlit.
• Napište vlastní kopírující konstruktor pro třídu vector. Kopírující konstruktor bere jako parametr const vector&.

Někdy bychom rádi, aby se naše objekty kopírovat nedaly. K tomu slouží = delete v deklaraci kopírujícího konstruktoru:

class vector {
public:
    ...
    vector(const vector& rhs) = delete;
}

Příkladem objektu ze standardní knihovny, který nelze kopírovat, je std::unique_ptr. Pokud máme unique_ptr v naší třídě, kopírující konstruktor se automaticky nevytvoří.

• Stáhněte si vector s unique_ptr z minulého cvičení: cviceni_5_unique_ptr.zip
• Pokuste se vytvořit kopii vectoru, třeba pomocí vector v2 = v;. Co se stane?
• Vytvořte kopírující konstruktor pro třídu vector.

Přesun je podobný kopii, ale umožňuje změnit objekt, ze kterého kopírujeme. Přesun nastává v těchto situacích:

• Při návratu z funkce pomocí return.
• Pokud si to vyžádáme pomocí std::move().

Příklady přesunů:

#include <vector>
#include <iostream>
 
void print_vector(const std::vector<int>& v) {
    for (auto& item : v) std::cout << item << ' ';
    std::cout << '\n';
}
 
std::vector<int> get() {
    std::vector<int> v = { 1, 23, 4, 1 };
    return v;
}
 
int main() {
    std::vector<int> v1 = get();           // v přesunut do v1
    std::vector<int> v2 = std::move(v1);   // v1 přesunut do v2
    std::cout << "v1: "; print_vector(v1); // v1:
    std::cout << "v2: "; print_vector(v2); // v2: 1 23 4 1
}

Účelem přesunu je zefektivnit některé operace. V předchozím kódu bychom například mohli vědět, že v1 už nebudeme potřebovat, proto jsme ho do v2 přesunuli. Pokud vracíme hodnotu ve funkci, tak není pochyb, že původní objekt dál už nepotřebujeme.

Funkce std::move má speciální návratový typ zvaný rvalue reference. Rvalue reference se píše T&& a značí referenci na objekt, který má vzápětí zaniknout. Díky tomu můžeme odlišit další druh konstruktoru, tzv. přesunující konstruktor.

• Přidejte do třídy vector přesunující konstruktor, jeho parametr bude typu vector&&. V těle konstruktoru si přivlastněte pole původního objektu a původní objekt nastavte na prázdný.
• Přidejte do všech konstruktorů a destruktoru kontrolní výpisy, které prozradí, kdy se která z těchto funkcí volá.
• Vyzkoušejte upravenou třídu pomocí této funkce main:

int main() {
    vector v1;
    v1.push_back(1.23);
    v1.push_back(2.34);
    std::cout << '\n';
    vector v2 = v1;
    std::cout << '\n';
    vector v3 = std::move(v2);
    std::cout << '\n';
 
    std::cout << "v1: ";
    print_vector(v1);
    std::cout << "v2: ";
    print_vector(v2);
    std::cout << "v3: ";
    print_vector(v3);
}

Pokud doplníme typový systém o rvalue reference, získáme takovouto tabulku:

Našemu vectoru stále ještě chybí jedna důležitá schopnost, neumí totiž správně zkopírovat hodnotu do již existujícího objektu. Jinými slovy, tento kód stále skončí katastrofou:

int main() {
    vector v1;
    vector v2;
    v1 = v2;
}

Stali jsme se obětí automaticky generovaného kopírujícího přiřazení. To se zavolá v případě, že použijeme operátor = na již existující objekt. I tuto speciální funkci si budeme muset naimplementovat sami. Uděláme to tak, že přetížíme operátor =.

• Přidejte do třídy vector kopírující přiřazení. Deklarace kopírujícího přiřazení bude vypadat takto: vector& operator=(const vector& rhs). Uvnitř funkce zkopírujte obsah původního objektu rhs do tohoto objektu. Přiřazení bude vracet referenci na tento objekt, proto by poslední řádek měl být return *this;.
• Co se stane, když rhs je tentýž objekt, jako *this? Pokud se stane něco špatného, funkci opravte.
• Pro úplnost přidejte také přesunující přiřazení. Deklarace přesunujícího přiřazení bude vypadat takto: vector& operator=(vector&&).
• Vyzkoušejte upravenou třídu na této funkci main:

int main() {
    vector v1;
    v1.push_back(1.23);
    v1.push_back(2.34);
    vector v2;
    v2 = v1;
    vector v3;
    v3 = std::move(v2);
 
    std::cout << "v1: ";
    print_vector(v1);
    std::cout << "v2: ";
    print_vector(v2);
    std::cout << "v3: ";
    print_vector(v3);
}

Řešení

Implementace některých speciálních členských funkcí, jmenovitě kopírujícího přiřazení, přesunujícího konstruktoru a přesunujícího přiřazení, se dá velmi zjednodušit za pomoci metody swap, jejíž úkol je prohodit veškerý obsah dvěma objektům typu vector.

• Implementujte ve třídě vector metodu swap, která vymění obsah dvou vektorů.
  • Deklarace této metody je void swap(vector& rhs) a po jejím skončení by měl být obsah obou vektorů prohozen bez toho, aby se přesouvaly jednotlivé prvky.
  • Ke zjednodušenní prohazování hodnot v proměnných můžete použít knihovní funkci std::swap z hlavičky <utility>.
• Zjednodušte kopírující přiřazení, přesunující konstruktor a přesunující přiřazení pomocí metody swap.
  • Kopírující přiřazení se dá konceptuálně rozdělit na dva kroky, smazání starého obsahu a vytvoření kopie. Jedno jsme již naimplementovali, jak nám swap pomůže s tím druhým?

Řešení

Zamyslete se nad rozdíly při kopírování řetězce, resp. pole znaků. Jaký je obsah proměnné arr1 a arr2 po vykonání následujícího kódu?

std::string b1 = "Ahoj";
 
std::string* arr1 = new std::string[3];
for (int i = 0; i < 3; ++i)
    arr1[i] = b1;
arr1[0][1] = 'c';
std::cout << arr1[0] << arr1[1] << arr1[2] << std::endl;
delete[] arr1;

char b2[5] = { 'A', 'h', 'o', 'j', '\0' };
 
char** arr2 = new char*[3];
for (int i = 0; i < 3; ++i)
    arr2[i] = b2;
arr2[0][1] = 'c';
std::cout << arr2[0] << arr2[1] << arr2[2] << std::endl;
delete[] arr2;

Jak se změní chování programů pokud místo kopírování použijeme přesun?

arr[i] = std::move(b);

Abyste se utvrdili v tom, kdy se použije kopie, kdy přesun, a kdy ani jedno z toho, zkuste si projít jeden po druhém příklady v tomto souboru (Coliru). Ještě před spuštěním si zkuste rozmyslet, které operace proběhnou.

V zjednodušené verzi si příklady můžete projít na interaktivní webové stránce. U každého příkladu určete, jak bude vypadat výslední výpis. Zamyslete se nad tím, který řádek hlavního programu (na stránce uprostřed) způsobí kterou část výpisu, a tedy volání příslušného konstruktoru.