【C++】带你发掘swap函数的秘密

发现问题

swap函数是C++标准库<algorithm>里的一个常见函数，用于交换两个变量的值。如果你写过代码，相信交换两个变量的值对于你来说应该是易如反掌，甚至还可以想到多种方法来实现它。在我之前的认知里，C++里的swap函数是一个没有什么技术含量的函数，不过是一个可以交换两个变量的值的模板函数，除了方便一点点，其他也没有什么了，不是么？

直到最近，我才发现，swap函数并不是我想象的那样简单。它的背后可以发掘到一些有意思的内容。于是就有了这篇文章。

swap函数除了可以对基本数据类型变量（如int，double，char等等）进行交换以外，还可以交换一些复杂的数据类型（如string类）的值。值得一提的是，这种交换借助C++11中的move移动语义，对复杂的数据无需进行大量的复制操作。比如交换两个string，只需交换两个string变量中的指针，即可完成它们的交换，无需多次进行串的拷贝。

基于move移动语义实现的swap源码如下：

template<typename T>
void swap(T &a,T &b) noexcept
{   T temp = std::move(a);a = std::move(b);b = std::move(temp);
}

move函数相关的机制已经超出了本文能够的讨论范围，这里暂时不予过多的深究。

我们需要知道的是，借助move语义，交换复杂数据结构（C++中的class、struct）的效率将得到有效的改善。

这个时候，你可能会发现我们好像把数组给漏了，两个数组是不是也可以呢？

我们不妨在main函数中写入如下代码：

//compile error
char ss1[] = "889", ss2[] = "888923932";
swap(ss1, ss2);

可惜，编译器立马爆出一堆错误，错误原因:“no matching function for call to 'swap(char[4], char[10])' ”。

让我们在回过头去看看，前面swap函数的定义。哦！原来得保证传入的两个参数类型相同！刚刚我们传入的两个参数，一个是长度为4的一维数组，一个是长度为10的一维数组，自然就报错了啦。我们让两个数组长度保持一致，这样就可以成功交换了。

然而数组名是一个指针常量，它是无法像普通的指针那样，被重新赋值的。难道swap函数可以交换两个指针常量的值？我们不妨测试一下：

char ss1[] = "889", ss2[] = "888";
//交换前
printf("交换前的地址: ss1=%p, ss2=%p\n", ss1, ss2);
printf("交换前的内容: ss1=%s, ss2=%s\n", ss1, ss2);
//交换
swap(ss1, ss2);
//交换后
printf("交换后的地址: ss1=%p, ss2=%p\n", ss1, ss2);
printf("交换后的内容: ss1=%s, ss2=%s\n", ss1, ss2);

交换前后的结果：

可以看到，两个数组的首地址并未发生变化。swap函数似乎是识别了数组类型，然后交换了两个数组的内容。我不禁陷入了沉思：怎么做到的？基于move移动语义吗？

令人惊讶的是，这里实现的一维数组交换并非直接通过前面已经实现的swap函数，为了验证这一点，我们可以把上面的swap代码Ctrl+V一下，换成其他名字，在程序中进行调用，就像下面这样：

//把函数名swap改为change
template<typename T>
void mySwap(T &a,T &b) noexcept
{   T temp = std::move(a);a = std::move(b);b = std::move(temp);
}int main(){char ss1[] = "889", ss2[] = "888";printf("交换前的地址: ss1=%p, ss2=%p\n", ss1, ss2);printf("交换前的内容: ss1=%s, ss2=%s\n", ss1, ss2);mySwap(ss1, ss2);    printf("交换后的地址: ss1=%p, ss2=%p\n", ss1, ss2);printf("交换后的内容: ss1=%s, ss2=%s\n", ss1, ss2);return 0;
}

编译过后，编译器成功地报错了：

这就表明，前面给出的swap函数无法实现两个等长数组之间的元素交换。

可是既然都是同一个名字swap，想必得重载swap函数了吧。在网上我没有找到这种情形下的swap函数的实现，我们不妨自己来造一个轮子，探索一下它的实现机理。

为了和标准库中的swap函数区分开来，在后面的代码中，我们一律把自己实现的带swap功能的函数命名为mySwap。

方法论

我们的先确立一下实现思路：识别数组类型，获得数组长度，通过循环逐个交换数组元素，最终实现对两个数组内容的交换。

基于上面的思路，我们要实现的mySwap函数需要满足三个要求：

首先，它得和标准库里的swap函数一样是模板函数；

其次，它要能够自动识别出数组类型；

最后，它也要能在不增加函数参数的前提下，自动获取数组的长度。

两个容易出现的错误

在上面的思路和要求的指导下，我们可能会定义出下面这个样子的模板函数：

//错误示范1
template<typename T>
void mySwap(T a[], T b[]){//获取数组长度int SIZE = sizeof(a) / sizeof(a[0]);//其余代码略
}

这种定义方法是有问题的。前面已经提过，T类型的数组名本质上是一种指针常量，当数组以这种形式的作为函数的参数时，它会退化为指针。也就是说，在上面的函数体中，a实际上是一个指针，sizeof(a)实际上表示的是一个指针的大小。因此，数组的长度信息由于参数传递已经丢失，函数体中的SIZE并非真正的数组长度。

既然要获取数组的长度信息，我们加入一个非类型的模板参数SIZE，代码如下，这样是不是可以在编译的时候获取到数组长度了呢？

//错误示范2
template<typename T, int SIZE>
void mySwap(T a[SIZE], T b[SIZE]){//代码略
}

一定程度上是可以的，但是需要显式指定它的长度。

以交换长度为4的char数组ss1和ss2中元素为例。

mySwap(ss1, ss2);    //会出现编译错误
mySwap<char, 4>(ss1, ss2);    //编译通过

mySwap(ss1,ss2)编译错误的根源在于，这里的mySwap依然会把参数ss1，ss2解读为char指针，而不是长度为4的char数组，这样在无形中又丢弃了数组的长度信息，无法自动获知SIZE的大小，必须通过手动指定才能解决问题。

之前我们已经看到，标准库里的swap函数并不需要我们显示地给出数组长度，所以一定还有其他办法，可以让编译器自动获取到数组的长度。

前两个错误示例的关键问题在于，函数总是把传入的数组参数解读为指针，致使长度信息丢失。这就不得不让我们去思考：是否存在一种参数定义方式，可以保留数组的长度信息？

一种实现方案

还记得C语言里学过的数组指针的定义么？声明一个指向长度为4的char数组的数组指针p，写法如下：

char (*p)[4];    //指向长度为4的char数组

如果把这种指针作为函数的参数，由于它指向一个定长数组，数组的长度信息就能够保留下来。

然而，编译器在编译期进行类型推导时，不会把数组类型推导成对应数组指针，使用数组指针作为函数参数，将会编译报错。

幸运的是，我们已经接近答案了。

做一个小小的调整，把数组指针改为数组引用，作为函数参数，在原来已有的swap函数的基础上重载，这种实现下的mySwap函数，在交换两个数组元素时进行，函数调用上可以获得等同于标准库swap函数的体验。代码如下：

//正确实现
//基于move移动语义对一般数据进行交换的Swap
template<typename T>
void mySwap(T &a,T &b) noexcept
{   T temp = std::move(a);a = std::move(b);b = std::move(temp);
}//对数组元素进行交换的Swap
template<typename T, int SIZE>
void mySwap(T (&a)[SIZE], T (&b)[SIZE]) noexcept
{   for(int i = 0; i < SIZE; ++i)mySwap(a[i], b[i]);
}

如果希望重载后的mySwap函数拥有更高的运行效率，我们可以进行循环展开，使用某些奇技淫巧，如Duff's Device，进行优化。这方面暂时不讨论。

如果你仔细推敲一下，你会惊喜地发现，我们在这里实现的mySwap函数不但可以交换两个一维数组的数据，也可以交换二维数组、三维数组，甚至是 n 维数组的数据。实际上，一个 n 维数组可以看成是由若干个 n - 1 维数组构成的一维数组，交换两个 n 维数组，在编译时，编译器会自动为我们生成交换 n-1维、n-2维、······、2维、1维数组对应的mySwap函数。这种运作方式和函数递归是有些许神似之处的。