قاعدة الثلاثة / الخمسة / الصفر

جزء من قسم Object Oriented Programming في رحلة C++ على Coddy — الدرس 25 من 104.

عندما تدير الفئة (class) الخاصة بك موارد مثل الذاكرة الديناميكية، فقد تعلمت أنك بحاجة إلى مدمر (destructor)، ومنشئ نسخ (copy constructor)، ومنشئ نقل (move constructor) مخصص. ولكن هناك مبدأ توجيهي يساعدك على تحديد دوال الأعضاء الخاصة التي يجب تنفيذها: قاعدة الثلاثة والخمسة والصفر (Rule of Three, Five, and Zero).

تنص قاعدة الثلاثة على ما يلي: إذا قمت بتعريف أي من هذه الثلاثة، فيجب عليك تعريف الثلاثة جميعاً:

المُهدم (Destructor)
منشئ النسخ (Copy constructor)
عامل تعيين النسخ (Copy assignment operator)

توسع قاعدة الخمسة هذا المفهوم لـ C++ الحديثة، مع إضافة عمليات النقل:

المُدمّر (Destructor)
منشئ النسخ (Copy constructor)
عامل تعيين النسخ (Copy assignment operator)
منشئ النقل (Move constructor)
عامل تعيين النقل (Move assignment operator)

class Buffer {
    int* data;
    size_t size;
public:
    Buffer(size_t s) : size(s), data(new int[s]) {}
    
    ~Buffer() { delete[] data; }                          // 1. المدمر
    Buffer(const Buffer& other);                          // 2. منشئ النسخ
    Buffer& operator=(const Buffer& other);               // 3. معامل تعيين النسخ
    Buffer(Buffer&& other) noexcept;                      // 4. منشئ النقل
    Buffer& operator=(Buffer&& other) noexcept;           // 5. معامل تعيين النقل
};

تعد قاعدة الصفر (Rule of Zero) هي النهج الأبسط: إذا كان الصنف (class) الخاص بك لا يدير الموارد بشكل مباشر، فلا تقم بتعريف أي من هذه الدوال. اترك المترجم (compiler) يقوم بإنشائها، أو استخدم المؤشرات الذكية (smart pointers) والحاويات القياسية (standard containers) التي تتعامل مع الموارد نيابة عنك.

class Player {
    std::string name;              // std::string تدير الذاكرة الخاصة بها
    std::vector<int> scores;       // std::vector تتعامل مع مواردها
public:
    Player(std::string n) : name(n) {}
    // لا حاجة لدوال الهدم (destructor) أو النسخ أو النقل!
};

اتباع هذه القواعد يمنع الأخطاء البرمجية مثل الحذف المزدوج، وتسرب الذاكرة، والمؤشرات المعلقة التي تحدث عندما يتم تعريف بعض العمليات بينما تكون العمليات الأخرى مفقودة.

التحدي

سهل

لنقم ببناء فئة TextBuffer تتبع "قاعدة الخمسة" (Rule of Five) — من خلال تنفيذ جميع الدوال الأعضاء الخمس الخاصة لإدارة بيانات الأحرف المخصصة ديناميكيًا بشكل صحيح. سيوضح هذا كيف تعمل عمليات النسخ والنقل معًا لإنشاء فئة قوية تدير الموارد.

ستقوم بإنشاء ملفين لتنظيم الكود الخاص بك:

TextBuffer.h: قم بتعريف فئة TextBuffer التي تخزن النص في مصفوفة أحرف مخصصة ديناميكيًا. تحتاج فئتك إلى:
- أعضاء خاصة (Private members): مؤشر char* يسمى data لمحتوى النص، و size_t length لطول السلسلة (لا يشمل النهاية الصفرية null terminator)
- منشئ بمعاملات (Parameterized constructor) يأخذ C-string (من نوع const char*)، ويخصص الذاكرة، وينسخ المحتوى، ويطبع "TextBuffer created: <text>"
- مدمر (Destructor) يحرر الذاكرة (إذا لم تكن فارغة null) ويطبع "TextBuffer destroyed"
- منشئ نسخ (Copy constructor) يقوم بعملية نسخ عميق (deep copy) ويطبع "TextBuffer copied"
- عامل تعيين النسخ (Copy assignment operator) يتعامل مع التعيين الذاتي (self-assignment)، وينظف البيانات الموجودة، ويقوم بنسخ عميق، ويطبع "TextBuffer copy-assigned". يجب أن يعيد *this
- منشئ نقل (Move constructor) (موسوم بـ noexcept) ينقل الملكية ويطبع "TextBuffer moved". اترك المصدر في حالة فارغة صالحة
- عامل تعيين النقل (Move assignment operator) (موسوم بـ noexcept) يتعامل مع التعيين الذاتي، وينظف البيانات الموجودة، وينقل الملكية، ويطبع "TextBuffer move-assigned". يجب أن يعيد *this
- دالة getText() تعيد النص المخزن (أعد سلسلة فارغة "" إذا كانت البيانات null)
- دالة getLength() تعيد الطول
main.cpp: استعرض جميع الدوال الأعضاء الخمس الخاصة أثناء العمل. اقرأ سلسلة نصية من الإدخال، ثم:
- أنشئ TextBuffer يسمى original مع نص الإدخال
- أنشئ copied باستخدام منشئ النسخ من original
- أنشئ another مع النص "Temporary"
- استخدم تعيين النسخ: another = original
- أنشئ moved عن طريق إنشاء نقل من original باستخدام std::move()
- أنشئ target مع النص "Target"
- استخدم تعيين النقل: target = std::move(copied)
- اطبع "--- Final State ---"
- اطبع "original: <text> (length: <len>)" لكل مخزن مؤقت: original، copied، moved، another، target

بعد عمليات النقل، يجب أن تظهر الكائنات المصدر (original و copied) نصًا فارغًا بطول 0، بينما تحتفظ الكائنات الوجهة بالبيانات المنقولة. يوضح هذا "قاعدة الخمسة" قيد التنفيذ — حيث تعمل جميع الدوال الخمس معًا لضمان إدارة آمنة للموارد.

قم بتضمين <cstring> لوظائف السلسلة مثل strlen و strcpy، و <utility> لـ std::move().

ورقة مرجعية

تنص قاعدة الثلاثة على أنه إذا قمت بتعريف أي من هذه الدوال الأعضاء الثلاث الخاصة، فيجب عليك تعريف الثلاثة جميعاً:

المُهدم (Destructor)
منشئ النسخ (Copy constructor)
عامل تعيين النسخ (Copy assignment operator)

توسع قاعدة الخمسة هذا المفهوم للغة C++ الحديثة عن طريق إضافة عمليات النقل:

المُهدم (Destructor)
منشئ النسخ (Copy constructor)
عامل تعيين النسخ (Copy assignment operator)
منشئ النقل (Move constructor)
عامل تعيين النقل (Move assignment operator)

class Buffer {
    int* data;
    size_t size;
public:
    Buffer(size_t s) : size(s), data(new int[s]) {}
    
    ~Buffer() { delete[] data; }                          // 1. المُهدم (Destructor)
    Buffer(const Buffer& other);                          // 2. منشئ النسخ (Copy constructor)
    Buffer& operator=(const Buffer& other);               // 3. تعيين النسخ (Copy assignment)
    Buffer(Buffer&& other) noexcept;                      // 4. منشئ النقل (Move constructor)
    Buffer& operator=(Buffer&& other) noexcept;           // 5. تعيين النقل (Move assignment)
};

تنص قاعدة الصفر على أنه إذا كانت فئتك (class) لا تدير الموارد بشكل مباشر، فلا تقم بتعريف أي دوال أعضاء خاصة. استخدم المؤشرات الذكية والحاويات القياسية التي تتعامل مع الموارد تلقائياً:

class Player {
    std::string name;              // تدير std::string ذاكرتها الخاصة
    std::vector<int> scores;       // تتعامل std::vector مع مواردها
public:
    Player(std::string n) : name(n) {}
    // لا حاجة لدوال المُهدم أو النسخ أو النقل!
};

اتباع هذه القواعد يمنع الأخطاء البرمجية مثل الحذف المزدوج، وتسرب الذاكرة، والمؤشرات المعلقة.

جرّب بنفسك

#include <iostream>
#include <string>
#include <utility>
#include "TextBuffer.h"

using namespace std;

int main() {
    string input;
    getline(cin, input);

    // TODO: قم بإنشاء TextBuffer يسمى 'original' مع نص الإدخال (input text)

    // TODO: قم بإنشاء 'copied' باستخدام منشئ النسخ (copy constructor) من 'original'

    // TODO: قم بإنشاء 'another' مع النص "Temporary"

    // TODO: استخدم إسناد النسخ (copy assignment): another = original

    // TODO: قم بإنشاء 'moved' عن طريق منشئ النقل (move-constructing) من 'original' باستخدام std::move()

    // TODO: قم بإنشاء 'target' مع النص "Target"

    // TODO: استخدم إسناد النقل (move assignment): target = std::move(copied)

    // TODO: اطبع "--- Final State ---"

    // TODO: اطبع حالة كل مخزن مؤقت (buffer) بهذا التنسيق:
    // "original: <text> (length: <len>)"
    // اطبع لكل من: original، copied، moved، another، target

    return 0;
}