本节书摘来自异步社区出版社《c++面向对象高效编程（第2版）》一书中的第4章，第4.8节，作者： 【美】kayshav dattatri，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。
c++面向对象高效编程（第2版）
在讨论了对象的复制和赋值后，现在来学习为什么需要副本控制。你可能形成这样的一种观点，即每个类都应该提供public复制构造函数和赋值操作符函数。
但是，实际并非如此。很多情况都存在禁止复制对象的语义；另外某些情况下，复制可能仅对一组选定的客户有意义；甚至还有些情况，只允许限定数量的对象副本。所有这些情况都要求有正确且高效的副本控制。在接下来的内容中，我们将举例说明副本控制的必要性。一旦了解这些示例，你将体会到，c++基于每个类提供的副本控制机制如此地灵活。控制创建对象和复制对象的一般技巧将在后面章节中介绍。
假设有一个tsemaphore类。信号量（semaphore）用于过程（或线程）间的同步，以确保安全共享资源。当一个过程需要使用一个共享资源时，该过程需要靠获得守护资源的信号量来确保互斥。这可以通过tsemaphore类提供的acquire方法完成。如果所需资源已被其他任务获得，则acquire调用发生阻塞，而且调用的任务将等待，直到其他任务放弃（relinquish）资源。有可能出现多个任务同时等待相同资源的情况。
一旦任务获得资源，它便完全拥有该资源的所有权，直至通过调用release成员函数放弃资源。鉴于此，复制信号量对象是否正确？更确切地说，复制信号量对象的语义是什么？如果允许复制，那么是否意味着有两个都已获得相同资源的独立信号量对象？这在逻辑上不正确，因为任何时候一个进程只能获得一个资源（或在已统计信号量的情况下有限数量的进程）。或者，这意味着两个信号量对象共享相同的资源？共享状态可能是一个较好的解决方案，但是，这使得信号量的实现和使用复杂化。信号量被看做是经常使用的“轻量级”对象，使其实现复杂化并不合理。在支持任何复制操作之前，还需要澄清一个问题：也许更好的解决方案应该是禁止任何复制。这意味着一旦创建信号量，任何人都不能复制它。
以下是tsemaphore类的接口。
class tautosemaphore {
public:
tautosemaphore(tsemaphore& sem)
: _semaphore(sem)
{ _semaphore.acquire(); }
~tautosemaphore() { _semaphore.release(); }
private:
tsemaphore& _semaphore;
};
利用这个类，f()中的代码可以简化为：
void x::f() // x的成员函数
{
// 创建tautosemaphore类对象，同时也获得信号量。
tautosemaphore autosem(_sem);
// 希望完成的任务
if (/ 某些条件 /) { / 一些代码 / return; }
else { / 其他代码 / }
// autosem的析构函数在退出f()时，自动释放_sem信号量
}<code>`</code>
tautosemaphore类的构造函数期望传入一个信号量对象，并将信号量作为构造函数的一部分。tautosemaphore类的析构函数负责释放所获得的信号量。因此，一旦在某作用域内创建了tautosemaphore类的对象，它的析构函数将会确保释放已获得的信号量，程序员无需为此担心。至少现在看来，需要我们管理的事务又少了一件。
这样的类在c++程序中非常普遍。另一个类似的类是ttracer，它用于跟踪进入函数和从函数退出。
class tlicensetoken; // 前置声明
class tlicenseserver {
public:
// 构造函数 – 创建一个有maxusers个许可证的新许可证服务
tlicenseserver(unsigned maxusers);
~tlicenseserver();
// 授予新许可证或返回0。主调函数采用已返回的对象。
// 不再使用令牌时，应将其销毁 – 见下文
tlicensetoken* createnewlicense();
private:
// 对象不能被复制或赋值
tlicenseserver(const tlicenseserver& other);
tlicenseserver& operator=(const tlicenseserver& other);
unsigned _numissued;
unsigned _maxtokens;
// 省略若干细节
class tlicensetoken {
public:
tlicensetoken();
~tlicensetoken();
tlicensetoken(const tlicensetoken& other);
tlicensetoken& operator=(const tlicensetoken& other);
};<code>`</code>
既然tlicensetoken是由tlicenseserver以用户为单位而发出的，那么确保用户无法复制返回的令牌非常重要。否则，许可证服务器将无法控制用户的数量。每当新用户希望使用由许可证服务器控制的应用程序时，他请求tlicenseserver生成一个新的tlicensetoken类对象。如果可以生成新令牌，则返回一个指向新tlicensetoken的指针。该令牌由调用者所拥有，用户不再需要使用应用程序时，必须销毁它。当许可证令牌被销毁时，它将与许可证服务器通信，以减少未归还许可证令牌数目。注意，许可证服务器和令牌都不能被复制，用户不可以复制令牌。许可证令牌可包含许多信息，如任务标识号、机器名、用户名、产生令牌的日期等。因为许可证服务器和令牌的复制构造函数和赋值操作符都为私有，所以不可能复制令牌，这便消除了使用欺骗手段的可能性。
要求用户销毁令牌是件麻烦事。我们可以完成这样的实现，即在令牌追踪软件使用的同时，如果软件在预定时间内未被使用，该实现保证能自动地销毁许可证令牌。实际上，这样的实现十分常见。
账单管理是该实现的一个应用，可根据客户所使用的服务来收费。这广泛应用于有线电视的按次计费的程序中2。
你可能觉得不允许复制令牌的限制过于严格。但是，如果允许这样做应该考虑创建一个新令牌，并通知许可证服务器进行复制。可以完成这样的实现，这仍然需要副本控制。
4.8.3 字符串类示例
各种语言的程序员都使用字符串来显示错误消息、用户提示等，我们也经常使用和操控这样的字符串数组。字符串数组的主要问题是存储区管理和缺少可以操控它们的操作。在c和c++中，字符串数组不能按值传递，只能传递指向数组中第1个字符的指针。这很难实现安全数组。为克服这个障碍，我们应该实现一个tstring类提供所有必须的功能。tstring类对象管理自己的内存，而且它会在需要时分配更多的内存，我们无需为此担心。
注意：
c++标准库包含一个功能强大的string类，也用于处理多字节字符。由于string类易于理解，同时能清楚地说明概念，因此在下面的示例中将用到它。
以下是类tstring的声明：
tstring::tstring()
_str = 0;
_length = 0;
}
tstring::tstring(const char* arg)
if (arg && *arg) { // 指针不为0，且指向有效字符。
_length = strlen(arg);
_str = new char[_length + 1];
strcpy(_str, arg);
}
else {
_str = 0;
_length = 0;
tstring::tstring(char achar)
if (achar) {
_str = new char[2];
_str[0] = achar;
_str[1] = ‘0’;
_length = 1;
_str = 0; _length = 0;
}
tstring::~tstring() { if (_str != 0) delete [] _str; }
// 复制构造函数，执行深复制。为字符分配内存，然后将其复制给this。
tstring::tstring(const tstring& arg)
if (arg._str!= 0) {
this->_str = new char[strlen(arg._str) + 1];
strcpy(this->_str, arg._str);
_length = arg._length;
tstring& tstring::operator=(const tstring& arg)
if (this == &arg)
return *this;
if (this->_length >= arg._length) {// *this足够大
if (arg._str != 0)
strcpy(this->_str, arg._str);
else
this->_str = 0;
this->_length = arg._length;
return *this;
// *this没有足够的空间，_arg更大.
delete [] _str; // 安全
this->_length = arg.size();
if (_length) {
strcpy(_str, arg._str);
else _str = 0;
return *this; // 总是这样做
tstring& tstring::operator=(const char* s)
if (s == 0 || *s == 0) { // 源数组为空，让“this”也为空。
delete [] _str;
_length = 0; _str = 0;
_str = 0;
int slength = strlen(s);
if (this->_length >= slength) { //*this足够大
strcpy(this->_str, s);
this->_length = slength;
return *this;
// *this没有足够的空间，_arg更大。
delete [] _str; // 安全
this->_length = slength;
_str = new char[_length + 1];
strcpy(_str, s);
return *this;
tstring& tstring::operator=(char chartoassign)
char s[2];
s[0] = chartoassign;
s[1] = ‘0’;
// 使用其他赋值操作符
return (*this = s);
int tstring::size() const { return _length; }
tstring& tstring::operator+=(const tstring& arg)
if (arg.size()) { // 成员函数可调用其他成员函数
_length = arg.size() + this->size();
char *newstr = new char[_length + 1];
if (this->size()) // 如果原始值不是null字符串
strcpy(newstr, _str);
*newstr = ‘0’;
strcat(newstr, arg._str); // 附上参数字符串
delete [] _str; // 丢弃原始的内存
_str = newstr; // 这是创建的新字符串
tstring operator+(const tstring& first, const tstring& second)
tstring result = first;
result += second; // 调用operator+=成员函数
return result;
bool operator==(const tstring& first, const tstring& second)
const char* fp = first.c_str(); // 调用成员函数
const char* sp = second.c_str();
if (fp == 0 && sp == 0) return 1;
if (fp == 0 && sp) return -1;
if (fp && sp == 0) return 1;
return ( strcmp(fp, sp) == 0); // strcmp是一个库函数
bool operator!=(const tstring& first, const tstring& second)
{ return !(first == second); } // 复用operator==
// 其他比较操作符的实现类似operator== ，
// 为了简洁代码，未在此处显示它们。
char tstring::operator()(unsigned n) const
if (n < this->size())
return this->_str[n]; // 返回下标为n的字符
return 0;
const char& tstring::operator[](unsigned n)const
cout << “invalid subscript: ” << n << endl;
exit(-1); // 应该在此处抛出异常
return _str[0]; // 为编译器减轻负担（从不执行此行代码）
// 将每个字符变成小写
tstring& tstring::tolower()
// 使用tolower库函数
if (_str && *_str) {
char *p = _str;
while (*p) {
p = tolower(p);
++p;
}
}
tstring& tstring::toupper() // 留给读者作为练习
tstring tstring::operator()(unsigned posn, unsigned len) const
int sz = size(); // 源的大小
if (posn > sz) return “ ”; // 空字符串
if (posn + len > sz) len = sz – posn;
tstring result;
if (len) {
result._str = new char[len+1];
strncpy(result._str, _str + posn, len);
result._length = len;
result._str[len] = ‘0’;
ostream& operator<<(ostream& o, const tstring& s)
if (s.c_str())
o << s.c_str();
return o;
istream& operator>>(istream& stream, tstring& s)
char c;
s = “ ”;
while (stream.get(c) && isspace(c))
;// 什么也不做
if (stream) { // stream正常的话，
// 读取字符直至遇到空白
do {
s += c;
} while (stream.get(c) && !isspace(c));
if (stream) // 未读取额外字符
stream.putback(c);
return stream;
1译者注：服务器指一个管理资源并为用户提供服务的计算机软件，另外，运行这样软件的计算机或计算机系统也被称为服务器。这里，作者为区分两种服务器，用server machine表示运行服务器的计算机，用license server表示许可证服务器。
2观众需要为观看（订阅）固定数量的节目支付费用。这些节目包括最新的电影、体育节目甚至是直播，或者音乐会。
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