Chapter 12：Classes and Dynamic Memory Allocation

为什么一个指针成员会改变整个类的复制语义

类与动态内存（dynamic memory and classes）的风险不在 new 语法本身，而在对象是否宣称拥有那块存储。编译器生成的复制操作按成员复制：整数复制值，指针也只复制地址。若两个对象都认为自己是唯一 owner，它们会修改同一缓冲区，并在析构时释放同一地址两次。

#include <cstddef>
 
class OwnedText {
public:
    explicit OwnedText(const char* text);
    ~OwnedText();
 
private:
    char* data_;
    std::size_t length_;
};

只声明析构函数仍不完整。OwnedText b = a 会调用隐式复制构造函数，把 data_ 地址原样交给 b；两个析构函数随后都执行 delete[] data_。必须先决定：复制对象是否共享、深复制、禁止复制，还是转移所有权。

析构函数只解决一个对象的退出路径

构造函数先分配并建立字符串值，析构函数使用与分配匹配的 delete[]。析构必须能处理每个成功构造的状态，并且不能让异常逃出。静态成员计数可以观察存活对象数量，但它是类级共享状态，不属于每个对象。

#include <cstring>
 
OwnedText::OwnedText(const char* text)
    : data_{nullptr}, length_{std::strlen(text)} {
    data_ = new char[length_ + 1];
    std::memcpy(data_, text, length_ + 1);
}
 
OwnedText::~OwnedText() {
    delete[] data_;
}

若构造期间 new 失败，对象有效期不会开始，析构函数也不会运行；已构造的成员会自动回滚。裸指针构造代码必须让失败前没有泄漏，使用 std::string 成员则可把这项责任交给成员类型。

复制构造函数建立独立的新对象

复制构造函数（copy constructor）通常接收 const Class&，用于以同类型对象初始化新对象。复制初始化、按值传参、按值返回（是否消除复制由规则决定）和容器操作都可能需要它。深复制要分配独立存储并复制完整值。

OwnedText::OwnedText(const OwnedText& other)
    : data_{new char[other.length_ + 1]},
      length_{other.length_} {
    std::memcpy(data_, other.data_, length_ + 1);
}

复制后 a.data_ != b.data_，但字符内容相等；修改一方不影响另一方，两个析构各释放自己的数组。参数必须是引用，否则为传入参数又需要复制构造，会无限递归；const 让源对象不被修改且可复制 const 值。

复制赋值替换一个已经存在的值

赋值运算符（assignment operator）与复制构造的起点不同：左对象已经拥有资源，必须在不泄漏、不双重释放的前提下替换它。还要处理 a = a 和 a = b = c。

OwnedText& OwnedText::operator=(const OwnedText& other) {
    if (this == &other) {
        return *this;
    }
 
    char* fresh = new char[other.length_ + 1];
    std::memcpy(fresh, other.data_, other.length_ + 1);
 
    delete[] data_;
    data_ = fresh;
    length_ = other.length_;
    return *this;
}

这里先成功创建新状态再释放旧状态；若分配抛出，左对象保持原值。返回 *this 的引用支持链式赋值，并避免额外复制。

Rule of Three 是一条所有权一致性警报

若类需要自定义析构、复制构造或复制赋值中的任一个，通常三个都要审查，这就是 Rule of Three。它不是要求所有类都手写三项，而是提醒“资源责任已经超出默认成员语义”。现代代码更理想的 Rule of Zero 是让 std::string、std::vector、std::unique_ptr 等成员携带所有权协议，外层类无需手工控制复制。

class Text {
public:
    explicit Text(std::string value) : value_{std::move(value)} {}
 
private:
    std::string value_;  // copy/destruction already coherent
};

若语义是唯一 owner，可删除复制并定义移动；若语义是共享 owner，使用 shared_ptr 还需明确共享的是不可变值、可变状态还是缓存。选工具前必须先写对象价值语义。

对象指针把访问有效期与对象有效期分开

对象指针（pointers to objects）使用 -> 访问成员；指针变量本身和目标对象具有不同生命周期。栈对象地址在离开作用域后悬空；动态对象地址在 delete 后悬空；对象数组指针还需携带元素数量。

OwnedText local{"alpha"};
OwnedText* borrowed = &local;     // non-owning; valid only with local
 
OwnedText* owned = new OwnedText{"beta"};
// use owned->member() through public interface
delete owned;
owned = nullptr;

nullptr 只表示当前不指向对象，不能修复其他别名。生产代码应以自动对象或智能指针表达 owner，裸指针/引用只表达范围受控的借用。

Queue 用链式节点隔离动态分配

Queue 抽象数据类型按 FIFO 取出最早进入的元素。链式表示需要 front、rear、item count 和 capacity 不变量：空队列两端都为空；非空 rear 指向最后节点；节点数量等于 count；count 不超过 capacity。调用者不应看到 Node。

class Queue {
public:
    explicit Queue(std::size_t capacity);
    ~Queue();
    Queue(const Queue&) = delete;
    Queue& operator=(const Queue&) = delete;
 
    bool enqueue(const Customer& item);
    bool dequeue(Customer& out);
 
private:
    struct Node { Customer item; Node* next; };
    Node* front_{nullptr};
    Node* rear_{nullptr};
    std::size_t count_{0};
    const std::size_t capacity_;
};

enqueue 先检查容量并分配节点，成功后连接 rear；从空队列进入非空时 front/rear 同时指向首节点。dequeue 保存旧 front、复制 item、推进 front 后删除旧节点；删除最后节点时还要把 rear 归零。析构循环删除全部节点。

队列模拟要验证系统，不只验证容器

客户模拟把随机到达、服务持续时间、当前服务任务与 Queue 组合。每个时间片先推进服务，再按到达模型尝试入队，然后在服务台空闲时出队。除了队列长度，还要累计 served、rejected、总等待时间和最大队长。

for (int minute = 0; minute < horizon; ++minute) {
    if (serviceRemaining > 0) {
        --serviceRemaining;
    }
    if (arrives(rng)) {
        Customer c{minute, sampleService(rng)};
        if (!line.enqueue(c)) ++rejected;
    }
    if (serviceRemaining == 0 && line.dequeue(current)) {
        totalWait += minute - current.arrivalMinute();
        serviceRemaining = current.serviceMinutes();
        ++served;
    }
}

先预测到达率低于、等于和高于服务率时队长趋势，再切换实验面板。有限 capacity 会把无限增长变成拒绝，不能只看到队长受控就称系统稳定。

三步审计动态资源类

小结

• 类拥有动态内存时，默认 pointer member copy 会产生别名，不能替代资源语义
• copy constructor 建立新对象，assignment operator 替换已有对象，两者都要与 destructor 的 owner 协议一致
• Rule of Three 提醒审查复制控制；优先用 RAII member 达成 Rule of Zero
• pointers to objects 不携带 owner 或有效期，裸指针更适合短期借用
• Queue 必须维持 front/rear/count/capacity 不变量，队列模拟还需测量拒绝和等待

名词解释