洛译小筑

swap是一个非常有趣的程序。它起初是作为STL的一部分引入C++的，而后就成为了异常安全编程的一个重要的支柱（参见条目29），同时对于可以自赋值的对象而言它还是一个常用的复制处理机制。由于swap如此神通广大，那么以一个恰当的方式去实现它就显得十分重要了，但是它举足轻重的地位也决定了实现它并不是一件手到擒来的事情。在本条目中，我们就会针对swap函数展开探索，逐步掌握如何去驾驭它。

swap函数的功能是交换两个对象的值。在默认情况下，交换工作是通过标准库的swap算法完成的。它的标准实现方式就能精确地完成你所期望的工作：

只要你的类型支持复制（通过拷贝构造函数和拷贝复制运算符），那么默认的swap实现就可以让两个该类型的对象互相交换，你不需要专门做任何工作来支持这一功能。

然而，你可能对默认的swap实现抱有诸多不满。它会带来3次对象复制工作：a复制到temp，b到a，temp到b。对于一些类型来说，这些复制操作并不都是必需的。对于这些类型来说，默认的swap会成为你程序的桎梏。

上述的那种类型大都符合下面的特征：它的主要成分是一个指针，这一指针会指向另一个类型，真实的数据包含在另一个类型中。对这一设计的一种常见的形式是“pimpl惯用法”（pointer to implementation，指向实现的指针，参见条目31）。举例说明，Widget类可以使用这种设计模式：

为了交换两个Widget对象的值，我们所要做的仅仅是交换他们的pImpl指针，但是默认的swap算法是不可能知道这一切的，它不仅会复制三个Widget对象，同时也会复制三个Widget对象。这样做效率太低了。

我们要做的是告诉std::swap当交换Widget时，执行的交换操作应当仅仅针对它们内部的pImpl指针。有一种精确的说法来描述这一方法：将Widget的std::swap特化。下面是基本的思想，尽管以这种方式不能通过编译：

 

程序开端的“template<>”告诉我们这是std::swap的一个完全特化模板，函数名后面的“<Widget>”告诉我们当前的特化针对T是Widget的情况。换种说法，当一般的swap模板应用于Widget时，应当使用这一具体实现。一般情况下，我们没有权限去改动std名字空间内部的内容，但是我们有权针对我们自己创建的类型（比如Widget）来完整地特化标准模板（就像swap）。这就是我们所要做的。

然而，就像我说过的，这段代码是不能通过编译的。这是因为它尝试访问a与b内部的pImpl指针，但是它们是私有的。我们可以将我们的特化函数声明为友元，但这里的规则有些不同：这里要求我们让Widget包含一个名为swap的公共成员函数，让这个swap进行实际的交换工作，然后特化std:swap来调用这一成员函数。

这样的代码不仅仅可以通过编译，而且也与STL容器相协调，它不仅仅提供了公有的swap成员函数，而且还提供了特化的std::swap来调用这些成员函数。

然而，我们不难发现，Widget和WidgetImpl都是类模板，而不是类，似乎我们可以自定义WidgetImpl中保存的数据的类型：

将一个swap成员函数放入Widget中（如果需要，也可以是WidgetImpl）仍然十分简单，但是我们对std::swap特化时将会遇到问题。下面是我们希望编写的代码：

这样的代码看上去完美无瑕，但是它是非法的。因为其中尝试对一个函数模板（std::swap）进行不完全的特化，但是，尽管C++允许对类模板进行不完全特化，而函数模板就不行了。这一代码不应通过编译（尽管一些编译器会错误的接受）。

当你期望对一个函数模板进行“不完全特化”时，通常的做法非常简单，就是添加一个该函数的重载。代码可能是下面的样子：

一般情况下，重载函数模板是可以的，但是std是一个很特殊的名字空间，它的规则也是独特的。对std中的模板进行完全特化是合法的，但是为std添加一个新的模板却是不合法的（类或函数或其他一切都不可以）。std的内容是由C++标准化委员会一手确定的，我们无法修改他们所规定的任何形式，只能“望码兴叹”。越轨的代码似乎可以运行，但它们的行为却是未定义的。如果你希望你的代码拥有可预知的行为，你就不应该在std中添加新的内容。

那么应该怎么办呢？我们仍然需要一种方法来让其他人通过调用swap来访问我们更加高效的特化版本。答案很简单。我们仍然可以通过声明一个非成员函数swap来调用成员函数swap实现，只要这个非成员函数不是std::swap的特化或者重载版本即可。比如说，如果我们所有与Widget相关的功能都在名字空间WidgetStuff中，那么代码看上去应该是这样：

现在，如果任意位置的代码对两个Widget对象调用了swap，C++的名字搜寻守则（更具体地说，就是所谓的参数依赖搜寻或Koenig搜寻）将会在WidgetStuff中查找具体到Widget的版本。这恰恰是我们需要的。

由于这种方法针对类或者类模板可以正常运行，所以看上去似乎我们应该在任何情况下都使用它。但是遗憾的是，我们还是要对于类的std::swap进行特化（稍后会交代理由），所以如果你想要在尽可能多的上下文中（你所需要的）调用具体到类的swap版本，你就需要在你的类所在的名字空间编写一个非成员版本的swap，同时还需要一个std::swap的特化版本。

顺便说一下，即使你没有使用名字空间，上述内容仍然有效（也就是说，你仍需要一个非成员的swap去调用成员函数swap），但是为什么你要把所有的类、模板、函数、枚举类型、enumerant、typedef的名字统统塞进全局名字空间里呢？如果你对编程规范有一点概念的话，都不会这样做的。

到目前为止我所介绍的一切内容都是以swap的作者的角度展开的，但是以一个客户的眼光来审视一下swap也是很有价值的。假设你正在编写一个函数模板，这里你需要交换两个对象的值：

这里应该调用哪一个swap呢？ std中存在一个通用版本，这是你所知道的；另外std中可能还有一个针对这一通用版本的特化版本，它可能存在也可能不存在；或者一个模板的版本，它可能存在也可能不存在，它是否在一个名字空间中也不能确定（但可以肯定不在std名字空间中）？此时你所希望的是，如果存在一个模板版本的话，就调用它；如果不存在，就返回调用std中的通用版本。以下是满足这一要求的代码：

当编译器看到对swap的调用时，它们会寻找恰当的swap来进行调用。C++的名字搜寻原则确保了在全局或T类型所在的名字空间中来查找所有的精确到T的swap。（举例说，如果T是位于WidgetStuff名字空间中的Widget，那么编译器将会使用参数依赖搜寻方式来查找WidgetStuff中的swap。）如果没有精确到T的swap存在，那么编译器将会使用std中的swap，多亏了using声明可以使std::swap在本函数中可见。然而即使这样，编译器也更期望得到一个精确到T的std::swap的特化版本，而不是未确定类型的模板，因此如果std::swap特化为T版本，那么这一特化的版本将会得到使用。

因此，调用正确的swap十分简单。你所需要关心的事仅仅是不去限制对它的调用，因为如果这样做会使C++如何决定去调用函数的方式受到影响。举例说，如果你用下面的方式调用了swap：

你强迫编译器仅仅去考虑std中的swap（包括所有的模板特化版本），这样做就排除了得到一个位于其他位置的精确到T版本的swap的可能，即使它是更加合理的。然而，一些进入误区的程序员还是会以这种方式限制swap的调用，这里你就可以看出，为你的类提供一个std::swap的完全特化版本是多么重要：对于那些使用不恰当的编码风格写出的代码（这样的代码也存在于一些标准库的实现当中，如果你感兴趣可以自己编写一些代码，来帮助这样的代码尽可能的提高效率），精确到类的swap实现仍然有效。

此刻，我们已经介绍了默认的swap、成员swap、非成员swap、std::swap的特化版本，以及对swap的调用，现在让我们来做一个总结。

首先，如果对你的类或者类模板使用默认的swap实现能够得到可以接受的效率，你就不需要做任何事情。任何人想要交换你创建的类型的对象时，都会去调用默认的版本，此时可以正常工作。

其次，如果默认的swap实现并不够高效（大多数情况下意味着你的类或模板正在运用pimpl惯用法），请按下面步骤进行：

1． 提供一个公用的swap成员函数，让它可以高效的交换你的类型的两个对象的值。理由将在后面列出，这个函数永远不要抛出异常。

2． 在你的类或模板的同一个名字空间中提供一个非成员的swap。让它调用你的swap成员函数。

3． 如果你正在编写一个类（而不是类模板），要为你的类提供一个std::swap的特化版本。同样让它调用你的swap成员函数。

最后，如果你正在调用swap，要确保使用一条using声明来使std::swap对你的函数可见，然后在调用swap时，不要做出任何名字空间的限制。

文中还有一处欠缺，那就是本文的标题中的敬告：不要让swap的成员函数版本抛出异常。这是因为swap最重要的用途之一就是帮助类（或类模板）来提供异常安全的保证。条目29中详细介绍了这一点，但是这一技术做出了“swap的成员函数版本永远不会抛出异常”这一假设。这一约束仅仅应用于成员函数版本，非成员版本则不受这一限制。这是因为swap的默认版本基于拷贝构造和拷贝赋值，而在一般情况下，这两种函数都可能抛出异常。因此，当你编写一个自定义版本的swap时，在典型情况下你不仅要提供一条更高效的交换对象值的方式，同时你也要提供一个不抛出异常的版本。作为一条一般的守则，这两条swap的特征是相辅相成的，因为高效的swap同时也基于内建数据类型的操作（诸如pimpl惯用法中使用的指针），同时内建数据类型的操作决不会抛出异常。

时刻牢记

l 在对你的类型使用std::swap时可能会造成效率低下时，可以提供一个swap成员函数。确保你的swap不要抛出异常。

l 如果你提供了一个swap的成员函数，那么同时要提供一个非成员函数swap来调用这一成员。对于类而言（而不是模板），还要提供一个std::swap的特化版本来调用swap成员函数。

l 在调用swap时，要为std::swap使用一条using声明，然后在调用swap时，不要做出名字空间的限制。

l 对用户自定义类型而言，提供std的完全特化版本不成问题，但是决不要尝试在std中添加全新的内容。