本篇摘要
交換兩個(gè)變量是非常古老的話題了，然而本文絕對(duì)保證給你新鮮的感覺！本文涉及到最簡(jiǎn)單的“不用臨時(shí)變量交換兩個(gè)整數(shù)”還涉及到如果利用異或來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)指針、兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的交換，要知道指針的浮點(diǎn)數(shù)是不允許直接異或運(yùn)算的哦；同時(shí)本文還闡述了如何交換用戶自定義類型及其指針。
本文完全是個(gè)人自由發(fā)揮之作，歡迎廣大磚家來(lái)拍磚，我個(gè)人感覺文中必然有很多不足，甚至錯(cuò)誤之處，這并非我謙虛，事實(shí)上我寫本文的目的就是希望在挨磚板中成長(zhǎng)！新人或許看不懂很多東西，如果你看不懂，那么就不要隨便膜拜，因?yàn)榭床欢幕蛟S原本就是錯(cuò)的，高手看完后如果本文寫得還可以，那么請(qǐng)留下好評(píng)，以供新手參考本文是否有閱讀本文的必要，如果覺得本文完全是垃圾，那么請(qǐng)不要客氣，您可以赤裸地，露骨地指出本文的錯(cuò)誤和不足，讓本人在批評(píng)中進(jìn)步，但請(qǐng)不要進(jìn)行人身攻擊，謝謝！
準(zhǔn)備工作
由于本文涉及到交換兩個(gè)用戶自定義類型的變量，為了舉例方便，本文定義如下的Person類(其中省略了拷貝構(gòu)造函數(shù)的重寫，因?yàn)楸疚牟挥玫剿?:
class Person
{
public:
Person(int age ,const char* name ):m_Age(age)
{
int len = strlen(name);
this->m_Name = new char[len+1];
strcpy(this->m_Name,name);
}
Person()
{
this->m_Age = -1;
this->m_Name = 0;
}
void PrintSelf()
{
cout<<this->m_Name<<":"<<this->m_Age<<endl;
}
Person& operator= (const Person& other)
{
if (this == &other)
{
return *this;
}
else
{
this->m_Age = other.m_Age;
delete this->m_Name;
int len = strlen(other.m_Name);
this->m_Name = new char[len+1];
strcpy(this->m_Name,other.m_Name);
return *this;
}
}
~Person()
{
delete this->m_Name;
}
private:
int m_Age;
char* m_Name;
};
為了后文表述方便，這里再定義Person類的兩個(gè)對(duì)象和兩個(gè)指針，定義如下：
Person
youngMan(18,” young man”);
Person
oldMan(81,” old man”);
Person*
pYoungMan = &youngMan;
Person*
pOldMan = &oldMan;
最常見的交換兩個(gè)對(duì)象的方法:GeneralSwap
通常，我們?yōu)榱私粨Q兩個(gè)變量都采取下面的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，它需要一個(gè)臨時(shí)變量：
template<class T>
void GeneralSwap(T& a,T& b)
{
T temp;
temp = a;
a = b;
b = temp;
}
顯然人人都知道這個(gè)寫法，但是我仍然覺得有必要重點(diǎn)申明幾點(diǎn)：1、注意函數(shù)的參數(shù)是引用(也可指針)，為什么我就不解釋了；2、這個(gè)交換函數(shù)基本上是最簡(jiǎn)單、最通用的，簡(jiǎn)單到人人都會(huì)寫，通用到它幾乎可適用于任何數(shù)據(jù)類型：char , int , long , float, double等各種系統(tǒng)自定義數(shù)學(xué)類型(無(wú)符號(hào)的，帶符號(hào)的)，用戶自定義數(shù)據(jù)類型(需要有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，否則語(yǔ)句T temp;會(huì)報(bào)錯(cuò))，以及各種指針(系統(tǒng)自定義類型的指針，和用戶自定義類型的指針)。當(dāng)然用戶自定義類型中如果包含了指針數(shù)據(jù)成員，那么需要重載賦值運(yùn)算符，事實(shí)上這樣的用戶自定義類，你都應(yīng)該自己重寫賦值運(yùn)算符、拷貝構(gòu)造函數(shù)，否則不但不能使用GeneralSwap，其他涉及到拷貝和賦值的操作都可能導(dǎo)致出錯(cuò)！
利用GeneralSwap交換兩個(gè)用戶自定義對(duì)象
下面深入探討一下關(guān)于用戶自定義對(duì)象的交換問題：針對(duì)準(zhǔn)備工作中的Person類的兩個(gè)對(duì)象youngMan和oldMan語(yǔ)句GeneralSwap(youngMan,oldMan);能實(shí)現(xiàn)他們的交換。短短一行代碼就能實(shí)現(xiàn)將一個(gè)18歲的花季少男跟一個(gè)81歲的老頭子掉包，這像不像是耍魔術(shù)啊，呵呵。要注意了，該交換代碼雖短，但涉及到默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用(GeneralSwap中的T temp;語(yǔ)句)和賦值運(yùn)算符重載函數(shù)的調(diào)用(GeneralSwap中的三個(gè)賦值語(yǔ)句)。
或許您很少這么用吧，事實(shí)上在我寫本文之前，我都沒真正交換過兩個(gè)自定義的對(duì)象，通常我們都不愿意這么交換兩個(gè)自定義對(duì)象。原因是效率太低！或許你要問，萬(wàn)一有的應(yīng)用就是需要交換兩個(gè)自定義的對(duì)象怎么辦？好辦，用指針啊！對(duì)，指針的好處就是效率高，為什么C++比java效率高，原因之一就是java取消了指針。下面的第一行代碼就是交換兩個(gè)Person類的指針：
GeneralSwap(pYoungMan,pOldMan);
//GeneralSwap(*pYoungMan,*
pOldMan); //效率低
為什么使用指針就效率高了呢？原因是指針就是地址，地址就是整數(shù)，于是問題等價(jià)于交換兩個(gè)整數(shù)，因此它不調(diào)用賦值運(yùn)算符重載函數(shù)！只要你在應(yīng)用程序中始終通過指向?qū)ο蟮闹羔榿?lái)訪問對(duì)象，那么交換兩個(gè)指針就能達(dá)到交換對(duì)象的目的。注意被注釋掉的第二行代碼，它是正確的，但是它又回到了交換兩個(gè)實(shí)際對(duì)象，其效率低，最好不要這么用！
對(duì)于這個(gè)最常見、最簡(jiǎn)單的GeneralSwap我都廢話了一大堆，而且還扯出了一個(gè)沒多少用的關(guān)于用戶自定義對(duì)象的交換問題，這實(shí)屬個(gè)人思維散射，請(qǐng)磚家們狠狠地拍。
在進(jìn)行下一個(gè)方法之前，再次強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，這個(gè)方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、通用！后面的方法都將與之做比較。
利用加減法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的交換
幾乎人人都知道還可以利用加減法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的交換，其代碼也異常簡(jiǎn)單：
template<class T>
void Add_Sub_Swap_1(T& a, T& b)
{
a = a+b;
b = a-b;
a = a-b;
}
Add_Sub_Swap_1可以用于交換兩個(gè)整數(shù)，但由于涉及加減法，因此有數(shù)據(jù)溢出的危險(xiǎn)；也可以用于交換浮點(diǎn)數(shù)，但是有可能由于舍入誤差導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。
Add_Sub_Swap_1不能用于交換兩個(gè)用戶自定義的對(duì)象，下面的語(yǔ)句編譯就通過不，編譯器告訴你Person類沒有定義operator +等符號(hào)：
Add_Sub_Swap_1(youngMan,oldMan);//編譯通不過！
Add_Sub_Swap_1不能用于交換兩個(gè)指針，語(yǔ)句Add_Sub_Swap_1(pYoungMan,pOldMan);編譯時(shí)將報(bào)錯(cuò)：error C2110:
cannot add two pointers，是的，兩個(gè)指針不能直接做加法運(yùn)算(減法是可以的)。那么是不是就不能利用加減法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)指針的交換呢？答案是：“可以！”，接下來(lái)我將闡述如何實(shí)現(xiàn)。
利用加減法交換兩個(gè)指針
Add_Sub_Swap_1不能用于交換兩個(gè)指針，前面我說(shuō)可以用加減法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)指針的交換，這是有根據(jù)的：指針仍然是變量，只不過它是存儲(chǔ)普通變量的地址的變量。只要我們把指針“看作”變量，那么就能實(shí)現(xiàn)加法。那么如何把指針“看作”變量呢？答案是：“通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換”！指針表示變量的地址，在32位平臺(tái)上它是一個(gè)無(wú)符號(hào)的整數(shù)，因此可以將指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為無(wú)符號(hào)類型的整數(shù)。我對(duì)上面的Add_Sub_Swap_1進(jìn)行了改進(jìn)：
template<class T>
void Add_Sub_Swap_2(T& a, T& b)
{
*(( unsigned*)(&a)) = *(( unsigned*)(&a)) + *(( unsigned*)(&b));
*(( unsigned*)(&b)) = *(( unsigned*)(&a)) - *(( unsigned*)(&b));
*(( unsigned*)(&a)) = *(( unsigned*)(&a)) - *(( unsigned*)(&b));
}
利用Add_Sub_Swap_2既可以交換兩個(gè)普通的整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)同時(shí)它可以交換兩個(gè)任意類型的指針(包含系統(tǒng)預(yù)定義類型和用戶自定義類型的指針，其實(shí)本質(zhì)上所有指針都屬于同一種類型:32位無(wú)符號(hào)整數(shù)類型)。不信您試試Add_Sub_Swap_2(pYoungMan,pOldMan);它能得到正確答案。
雖然Add_Sub_Swap_2解決了Add_Sub_Swap_1無(wú)法交換兩個(gè)指針的問題，但是它仍然無(wú)法交換兩個(gè)用戶自定義類型的變量，原因是用戶自定義類型沒有加減法運(yùn)算。看來(lái)要想用加減法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)用戶定義類型的交換是不可能的了(除非用戶自定義的operator+和operator-能滿足交換兩個(gè)對(duì)象的目的，這很難，除非是非常簡(jiǎn)單的用戶自定義類型，比如你不使用系統(tǒng)類型int非要定義一個(gè)MyInt類)。
利用異或?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)整數(shù)的交換
同樣地，幾乎人人都知道利用異或來(lái)交換兩個(gè)數(shù)，其實(shí)現(xiàn)也非常簡(jiǎn)單：
template <class T>
void Xor_Swap_1(T& a,T& b)
{
a = a^b;
b = a^b;
a = a^b;
}
上面的函數(shù)的實(shí)用性非常有限，它只能交換兩個(gè)整數(shù)(包含char,int,long)，要想交換兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)是不行的，因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)不能參與位運(yùn)算，要想交換兩個(gè)指針也是不行的，編譯器不允許你把兩個(gè)指針拿來(lái)做位運(yùn)算，要想交換兩個(gè)用戶自定義對(duì)象也是不行的，因?yàn)樗匀徊荒軈⑴c位運(yùn)算。那么是不是利用異或交換兩個(gè)變量就沒法用于浮點(diǎn)數(shù)、指針和用戶自定義的對(duì)象了呢？答案是“能”！后面幾節(jié)我將闡述這些問題。
利用異或?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)float和指針的交換
前面的Xor_Swap_1無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)和指針的交換，其原因是浮點(diǎn)數(shù)和指針均不直接支持位運(yùn)算。那么如何才能利用異或來(lái)交換兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)和指針呢？方法仍然是“強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換”！因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)在內(nèi)存中仍然是用一串二進(jìn)制bit來(lái)表示的嘛，只要把浮點(diǎn)數(shù)看作(強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換)二進(jìn)制bit構(gòu)成的整數(shù)，那么就能進(jìn)行位運(yùn)算了，至于指針嘛，處理方法完全相同。具體如何做呢，其實(shí)現(xiàn)大概是這樣的：
template <class T>
void Xor_Swap_2(T& a,T& b)
{
*((unsigned*)(&a)) = *((unsigned*)(&a)) ^ *((unsigned*)(&b));
*((unsigned*)(&b)) = *((unsigned*)(&a)) ^ *((unsigned*)(&b));
*((unsigned*)(&a)) = *((unsigned*)(&a)) ^ *((unsigned*)(&b));
}
利用這個(gè)函數(shù)可以交換兩個(gè)float類型的變量，也可以交換任意類型的指針！非常值得注意的是：用它交換兩個(gè)double類型數(shù)據(jù)或者兩個(gè)Person類的對(duì)象(youngMan,oldMan)均能編譯通過，但是其結(jié)果卻是錯(cuò)的。至于為什么，以及如何解決，這將是我下一節(jié)要闡述的內(nèi)容。
利用異或?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)double類型變量和用戶自定義變量的交換
Xor_Swap_2解決了利用異或不能交換兩個(gè)float數(shù)據(jù)和指針的問題，然而它卻不能正確地交換兩個(gè)double數(shù)據(jù)和兩個(gè)Person類對(duì)象。這是為什么呢？原因是函數(shù)內(nèi)部是把參數(shù)強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成unsigned類型的，而sizeof(float)和sizeof(pointor)的值都等于sizeof(unsigned)，但是sizeof(double)卻不等于sizeof(unsigned)，也就是說(shuō)把double強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成unsigned類型時(shí)，發(fā)生了“位截?cái)?#8221;(在概念是區(qū)別與數(shù)據(jù)截?cái)?，那么得到的結(jié)果肯定就不對(duì)了。至于無(wú)法交換兩個(gè)Person類對(duì)象，其原因也相同。
這里我要深入分析一下強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換是如何發(fā)生位截?cái)嗟模紫瓤纯匆韵聹y(cè)試的輸出結(jié)果，注意代碼中的注釋，為了節(jié)約篇幅，我把值得注意的地方都放在注釋中了：
Double a = 1.0,b=2.0;
Xor_Swap_2(a,b);//交換兩個(gè)double數(shù)據(jù)
Cout<<a<<b;//輸出仍然是1.0和2.0,a,b的值并未改變
Xor_Swap_2(youngMan,oldMan);//交換兩個(gè)用戶自定義對(duì)象
youngMan.PrintSelf();//輸出young man:81
oldMan.PrintSelf();//輸出old man:18
可以看出兩個(gè)double數(shù)據(jù)并沒被交換，而兩個(gè)Person對(duì)象在交換之后發(fā)生了怪異現(xiàn)象：產(chǎn)生了81歲的年輕人和18歲的老年人！這一點(diǎn)正好說(shuō)明強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生了位截?cái)啵捎赑erson類的第一個(gè)數(shù)據(jù)成員m_Age正好是int型，在Xor_Swap_2內(nèi)部做強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換時(shí)正好取得了兩個(gè)對(duì)象的m_Age成員，于是出現(xiàn)了兩個(gè)對(duì)象被部分交換的情況，那么又如何解釋兩個(gè)double數(shù)據(jù)沒有變法呢？事實(shí)上兩個(gè)double數(shù)據(jù)仍然發(fā)生了部分交換，因?yàn)檫@里的兩個(gè)double數(shù)(a,b)的前4個(gè)字節(jié)正好相同，因此看不出部分交換。
既然我們知道了Xor_Swap_2為什么不能用于交換兩個(gè)double類型的數(shù)據(jù)和兩個(gè)用戶自定義的數(shù)據(jù)，那么就有辦法對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。具體改進(jìn)的思想就是把參數(shù)按照一個(gè)byte一個(gè)byte地分別異或，按照這個(gè)思路我實(shí)現(xiàn)了如下的函數(shù)：
template <class T>
void Xor_Swap_3(T& a,T& b)
{
int size = sizeof(T);
for (int i = 0;i<size;i++)
{
*((unsigned char*)(&a)+i) = (*((unsigned char*)(&a)+i)) ^ (*((unsigned char*)(&b)+i));
*((unsigned char*)(&b)+i) = (*((unsigned char*)(&a)+i)) ^ (*((unsigned char*)(&b)+i));
*((unsigned char*)(&a)+i) = (*((unsigned char*)(&a)+i)) ^ (*((unsigned char*)(&b)+i));
}
}
這個(gè)版本的函數(shù)不僅能交換兩個(gè)整數(shù)、任何指針、float數(shù)和double數(shù)，更牛逼的是它能交換兩個(gè)用戶定義類型的變量！事實(shí)上它基本上是在內(nèi)存一級(jí)上操作數(shù)據(jù)，而任何類型的數(shù)據(jù)對(duì)象最終都表現(xiàn)為內(nèi)存對(duì)象。這其實(shí)就是通過內(nèi)存拷貝實(shí)現(xiàn)兩個(gè)對(duì)象的交換的一個(gè)版本吧，當(dāng)然還有利用memcpy等手段進(jìn)行內(nèi)存拷貝來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變量的交換的，這里我就不贅述了。
結(jié)束語(yǔ)
本篇到此寫完了，有種不好的感覺，因?yàn)槲闹写罅渴褂?#8220;強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換”而這個(gè)東西是C++中容易出錯(cuò)的地方，而我再寫本文時(shí)，并沒有去復(fù)習(xí)關(guān)于強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的相關(guān)知識(shí)，因此擔(dān)心很多地方有潛在的出錯(cuò)可能，還請(qǐng)各位磚家指正！
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