Effective C++: 在资源管理类中小心 copying 行为

这是 Effective C++ 的第 14 个条款，Think carefully about copying behavior in resource-managing classes，中文翻译为：在资源管理类中小心 copying 行为。

当我们自己写一个 RAII 类时，比如书中提到的用于管理互斥锁的 Lock 类：

class Lock {
public:
    explicit Lock(Mutex* pm) : mutexPtr(pm) {
        lock(mutexPtr); // 在构造函数中获取资源（加锁）
    }
    ~Lock() {
        unlock(mutexPtr); // 在析构函数中释放资源（解锁）
    }
private:
    Mutex* mutexPtr;
};

cpp

这个基础的 Lock 类遵循了 RAII 原则，但是当我们复制一个 Lock 对象时，问题就来了：

Mutex m; // 一个互斥锁
{
    Lock m1(&m);    // m1 对 m 加锁
    Lock m2(m1);    // m2 是 m1 的一个副本。这里会发生什么？
} // m1 和 m2 在这里离开作用域，它们的析构函数被调用

cpp

如果我们没有手动定义拷贝构造函数的话，编译器会自动生成一个默认的拷贝构造函数，这个默认的拷贝构造函数只会进行浅拷贝操作，即简单地复制成员变量的值。在这个例子中，m2 会得到和 m1 相同的 mutexPtr 指针，这意味着当 m1 和 m2 离开作用域时，它们都会尝试解锁同一个互斥锁。这会导致未定义行为，因为同一个互斥锁被解锁了两次。

因此，作者提到，当设计一个 RAII 类时，对于“复制”操作，通常有以下四种选择：

禁止复制：这是最简单、也常常是最安全的选择。如果复制一个资源句柄没有意义（比如锁），或者会带来问题，那就直接禁止它。
- 适用场景：资源的逻辑本身就不支持被复制或共享，例如 std::unique_ptr。
- 实现方式：通过将拷贝构造函数和拷贝赋值运算符声明为私有（C++11 之前）或删除（C++11 及以后）来禁止复制。
```
class Lock {
public:
    // ...
    Lock(const Lock&) = delete;
    Lock& operator=(const Lock&) = delete;
private:
    // ...
};
```
cpp
引用计数：允许多个对象共享同一个底层资源，并记录“使用者”的数量。只有当最后一个使用者被销毁时，资源才被真正释放。
- 适用场景：需要共享资源所有权的场景，例如 std::shared_ptr。
- 实现方式：最简单的方法是在 RAII 类内部使用一个 std::shared_ptr 来持有资源。shared_ptr 可以接受一个自定义删除器，这让它不仅能管理内存，还能管理任何资源。
```
class Lock {
public:
    explicit Lock(Mutex* pm)
        : pMutex(pm, unlock) // 使用 shared_ptr，并提供 unlock 作为删除器
    {
        lock(pMutex.get());
    }
    // 不需要手动写析构函数，shared_ptr 会自动管理！
private:
    std::shared_ptr<Mutex> pMutex;
};
```
cpp
当最后一个 Lock 对象被销毁时，它内部的 shared_ptr 的引用计数会变为 0，此时它会自动调用我们提供的 unlock 函数来释放锁。
深拷贝：在复制对象时，也完整地复制一份底层资源。这样每个对象都拥有一份独立的、内容相同的资源。
- 适用场景：当资源本身可以被安全、完整地复制时。例如，一个管理动态字符数组的字符串类。
- 实现方式：手动实现拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，在其中创建新资源并复制内容。
```
// 伪代码示例
String(const String& other) {
    // 分配新内存
    // 复制 other 中的字符串内容到新内存
}
```
cpp

转移所有权：在复制时，将底层资源的所有权从源对象“转移”到目标对象，源对象则不再拥有该资源（通常变为空）。

适用场景：需要严格的独占所有权，但又希望能够转移它。例如 std::unique_ptr。
实现方式：在 C++11 之后，通过实现移动构造函数和移动赋值运算符来完成。

class UniqueResource {
public:
    UniqueResource(Resource* res) : resourcePtr(res) {}
    // 移动构造函数
    UniqueResource(UniqueResource&& other) noexcept
        : resourcePtr(other.resourcePtr) {
        other.resourcePtr = nullptr; // 转移所有权
    }
    // 移动赋值运算符
    UniqueResource& operator=(UniqueResource&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            release(); // 释放当前资源
            resourcePtr = other.resourcePtr;
            other.resourcePtr = nullptr; // 转移所有权
        }
        return *this;
    }
private:
    Resource* resourcePtr;
    void release() {
        if (resourcePtr) {
            // 释放资源
        }
    }
};

cpp