代码规范:类的构造函数、析构函数与赋值函数

简介: 本章开头讲过,如果不主动编写拷贝构造函数和赋值函数,编译器将以“位拷贝”的方式自动生成缺省的函数。倘若类中含有指针变量,那么这两个缺省的函数就隐含了错误。以类 String 的两个对象 a,b 为例,假设 a.m_data 的内容为“hello”,b.m_data 的内容为“world”。 现将 a 赋给 b,缺省赋值函数的“位拷贝”意味着执行 b.m_data = a.m_data。

构造函数、析构函数与赋值函数是每个类最基本的函数。它们太普通以致让人容易 麻痹大意,其实这些貌似简单的函数就象没有顶盖的下水道那样危险。


每个类只有一个 析构函数 和一个 赋值函数 ,但可以有多个构造函数(包含一个 拷贝构造函数,其它的称为 普通构造函数)。对于任意一个类 A,如果不想编写上述函数,


C++编译器将自动为 A 产生四个缺省的函数,如


A(void); // 缺省的无参数构造函数


A(const A &a); // 缺省的拷贝构造函数


~A(void); // 缺省的析构函数


A & operate =(const A &a); // 缺省的赋值函数


这不禁让人疑惑,既然能自动生成函数,为什么还要程序员编写?


原因如下:


(1)如果使用“缺省的无参数构造函数”和“缺省的析构函数”,等于放弃了自主“初 始化”和“清除”的机会,C++发明人 Stroustrup 的好心好意白费了。


(2)“缺省的拷贝构造函数”和“缺省的赋值函数”均采用“位拷贝”而非“值拷贝”的方式来实现,倘若类中含有指针变量,这两个函数注定将出错。


本章以类 String 的设计与实现为例,深入阐述被很多教科书忽视了的道理。String的结构如下:

class String
{
  public:
  String(const char *str = NULL); // 普通构造函数
  String(const String &other); // 拷贝构造函数
  ~ String(void); // 析构函数
  String & operate =(const String &other); // 赋值函数
  private:
  char *m_data; // 用于保存字符串
};


9.1 构造函数与析构函数的起源

初始化和清除工作很容易被人遗忘。Stroustrup 在设计 C++语言时充分考虑了这个问 题并很好地予以解决:把对象的初始化工作放在构造函数中,把清除工作放在析构函数 中。


当对象被创建时,构造函数被自动执行。当对象消亡时,析构函数被自动执行。这下就不用担心忘了对象的初始化和清除工作。


构造函数与析构函数的名字不能随便起,必须让编译器认得出才可以被自动执行。


Stroustrup 的命名方法既简单又合理:让构造函数、析构函数与类同名,由于析构函数的目的与构造函数的相反,就加前缀‘~’以示区别。


除了名字外,构造函数与析构函数的另一个特别之处是没有返回值类型,这与返回值类型为 void 的函数不同。构造函数与析构函数的使命非常明确,就象出生与死亡,光溜溜地来光溜溜地去。如果它们有返回值类型,那么编译器将不知所措。为了防止节外生枝,干脆规定没有返回值类型。(以上典故参考了文献[Eekel, p55-p56]


9.2 构造函数的初始化表

构造函数有个特殊的初始化方式叫“初始化表达式表”(简称初始化表)。初始化表 位于函数参数表之后,却在函数体 {} 之前。这说明该表里的初始化工作发生在函数体 内的任何代码被执行之前。


构造函数初始化表的使用规则:


如果类存在继承关系,派生类必须在其初始化表里调用基类的构造函数。

例如


class A
{
  A(int x); // A 的构造函数
};
class B : public A
{
  B(int x, int y);// B 的构造函数
};
B::B(int x, int y) : A(x) // 在初始化表里调用 A 的构造函数
{
}


类的 const 常量只能在初始化表里被初始化,因为它不能在函数体内用赋值的方式来初始化(参见 5.4 节)。


类的数据成员的初始化可以采用初始化表或函数体内赋值两种方式,这两种方式的效率不完全相同。


非内部数据类型的成员对象应当采用第一种方式初始化,以获取更高的效率。例如


class A
{
  A(void); // 无参数构造函数
  A(const A &other); // 拷贝构造函数
  A & operate =( const A &other); // 赋值函数
};
class B
{
public:
  B(const A &a); // B 的构造函数
private:
  A m_a; // 成员对象
};


示例 9-2(a)中,类 B 的构造函数在其初始化表里调用了类 A 的拷贝构造函数,从而 将成员对象 m_a 初始化。


B::B(const A &a) : m_a(a)
{
}


示例 9-2 (b)中,类 B 的构造函数在函数体内用赋值的方式将成员对象 m_a 初始化。


B::B(const A &a)
{
  m_a = a;
}


我们看到的只是一条赋值语句,但实际上 B 的构造函数干了两件事:先暗地里创建 m_a 对象(调用了 A 的无参数构造函数),再调用类 A 的赋值函数,将参数 a 赋给 m_a。


对于内部数据类型的数据成员而言,两种初始化方式的效率几乎没有区别,但后者的程序版式似乎更清晰些。若类 F 的声明如下:


class F
{
  public:
  F(int x, int y); // 构造函数
  private:
  int m_x, m_y;
  int m_i, m_j;
}


示例 9-2©中 F 的构造函数采用了第一种初始化方式,


F::F(int x, int y) : m_x(x), m_y(y)
{
  m_i = 0;
  m_j = 0;
}


示例 9-2(d)中 F 的构造函数采用了第二种初始化方式。


F::F(int x, int y)
{
  m_x = x;
  m_y = y;
  m_i = 0;
  m_j = 0;
}


9.3 构造和析构的次序

构造从类层次的最根处开始,在每一层中,首先调用基类的构造函数,然后调用成员对象的构造函数。析构则严格按照与构造相反的次序执行,该次序是唯一的,否则编译器将无法自动执行析构过程。


一个有趣的现象是,成员对象初始化的次序完全不受它们在初始化表中次序的影响,只由成员对象在类中声明的次序决定。这是因为类的声明是唯一的,而类的构造函数可以有多个,因此会有多个不同次序的初始化表。如果成员对象按照初始化表的次序进行构造,这将导致析构函数无法得到唯一的逆序。[Eckel, p260-261]


9.4 示例:类 String 的构造函数与析构函数

// String 的普通构造函数
String::String(const char *str)
{
  if(str==NULL)
  {
  m_data = new char[1];
  *m_data = ‘\0’;
  }
  else
  {
  int length = strlen(str);
  m_data = new char[length+1];
  strcpy(m_data, str);
  }
}


// String 的析构函数
String::~String(void)
{
  delete [] m_data; // 由于 m_data 是内部数据类型,也可以写成 delete m_data;
}


9.5 不要轻视拷贝构造函数与赋值函数

由于并非所有的对象都会使用拷贝构造函数和赋值函数,程序员可能对这两个函数有些轻视。请先记住以下的警告,在阅读正文时就会多心:


本章开头讲过,如果不主动编写拷贝构造函数和赋值函数,编译器将以“位拷贝”的方式自动生成缺省的函数。倘若类中含有指针变量,那么这两个缺省的函数就隐含了错误。以类 String 的两个对象 a,b 为例,假设 a.m_data 的内容为“hello”,b.m_data 的内容为“world”。 现将 a 赋给 b,缺省赋值函数的“位拷贝”意味着执行 b.m_data = a.m_data。这将造成三个错误:


一是 b.m_data 原有的内存没被释放,造成内存泄露;

二是b.m_data 和 a.m_data 指向同一块内存,a 或 b 任何一方变动都会影响另一方;

三是在对象被析构时,m_data 被释放了两次。

拷贝构造函数和赋值函数非常容易混淆,常导致错写、错用。拷贝构造函数是在对象被创建时调用的,而赋值函数只能被已经存在了的对象调用。以下程序中,第三个语句和第四个语句很相似,你分得清楚哪个调用了拷贝构造函数,哪个调用了赋值函数吗?


String a(“hello”);
String b(“world”);
String c = a; // 调用了拷贝构造函数,最好写成 c(a);
// 建议使用String c(a) 的方式进行这种等于的直接赋值。
c = b; // 调用了赋值函数


9.6 示例:类 String 的拷贝构造函数与赋值函数

// 拷贝构造函数
String::String(const String &other)
{
  // 允许操作 other 的私有成员 m_data
  int length = strlen(other.m_data);
  m_data = new char[length+1];
  strcpy(m_data, other.m_data);
}


// 赋值函数
String & String::operate =(const String &other)
{
  // (1) 检查自赋值
  if(this == &other)
  return *this;
  // (2) 释放原有的内存资源
  delete [] m_data;
  // (3)分配新的内存资源,并复制内容
  int length = strlen(other.m_data);
  m_data = new char[length+1];
  strcpy(m_data, other.m_data);
  // (4)返回本对象的引用
  return *this;
}


String 拷贝构造函数与普通构造函数(参见 9.4 节)的区别是:在函数入口处无 需与 NULL 进行比较,这是因为“引用”不可能是 NULL,而“指针”可以为 NULL。


类 String 的赋值函数比构造函数复杂得多,分四步实现:


(1)第一步,检查自赋值。你可能会认为多此一举,难道有人会愚蠢到写出 a = a 这 样的自赋值语句!的确不会。但是间接的自赋值仍有可能出现,例如

// 内容自赋值
b = a;
c = b;
a = c;


// 地址自赋值
b = &a;
a = *b;


也许有人会说:“即使出现自赋值,我也可以不理睬,大不了化点时间让对象复制

自己而已,反正不会出错!”


他真的说错了。看看第二步的 delete,自杀后还能复制自己吗?所以,如果发现自 赋值,应该马上终止函数。


注意不要将检查自赋值的 if 语句

if(this == &other)


错写成为

if( *this == other)


(2)第二步,用 delete 释放原有的内存资源。如果现在不释放,以后就没机会了,将造成内存泄露。


(3)第三步,分配新的内存资源,并复制字符串。注意函数 strlen 返回的是有效字符串长度,不包含结束符‘\0’。函数 strcpy 则连‘\0’一起复制。


(4)第四步,返回本对象的引用,目的是为了实现象 a = b = c 这样的链式表达。注意不要将 return *this 错写成 return this 。那么能否写成 return other 呢?效果不是一样吗?


不可以!因为我们不知道参数 other 的生命期。有可能 other 是个临时对象,在赋值结束后它马上消失,那么 return other 返回的将是垃圾。

9.7 偷懒的办法处理拷贝构造函数与赋值函数

如果我们实在不想编写拷贝构造函数和赋值函数,又不允许别人使用编译器生成的 缺省函数,怎么办?


偷懒的办法是:只需将拷贝构造函数和赋值函数声明为私有函数,不用编写代码。例如:


class A
{ …
  private:
  A(const A &a); // 私有的拷贝构造函数
  A & operate =(const A &a); // 私有的赋值函数
};


如果有人试图编写如下程序:

A b(a); // 调用了私有的拷贝构造函数

b = a; // 调用了私有的赋值函数

编译器将指出错误,因为外界不可以操作 A 的私有函数


9.8 如何在派生类中实现类的基本函数

基类的构造函数、析构函数、赋值函数都不能被派生类继承。如果类之间存在继承关系,在编写上述基本函数时应注意以下事项:


派生类的构造函数应在其初始化表里调用基类的构造函数。


基类与派生类的析构函数应该为虚(即加 virtual 关键字)。例如


#include <iostream.h>
class Base
{
public:
  virtual ~Base() { cout<< "~Base" << endl ; }
};
class Derived : public Base
{
public:
  virtual ~Derived() { cout<< "~Derived" << endl ; }
};
void main(void)
{
  Base * pB = new Derived; // upcast
  delete pB;
}


输出结果为:

~Derived

~Base

如果析构函数不为虚,那么输出结果为

~Base


在编写派生类的赋值函数时,注意不要忘记对基类的数据成员重新赋值。例如:

class Base
{
public:
  Base & operate =(const Base &other); // 类 Base 的赋值函数
private:
  int m_i, m_j, m_k;
};
class Derived : public Base
{
  public:
  Derived & operate =(const Derived &other); // 类 Derived 的赋值函数
  private:
  int m_x, m_y, m_z;
};
Derived & Derived::operate =(const Derived &other)
{
  //(1)检查自赋值
  if(this == &other)
  return *this;
  //(2)对基类的数据成员重新赋值
  Base::operate =(other); // 因为不能直接操作私有数据成员
  //(3)对派生类的数据成员赋值
  m_x = other.m_x;
  m_y = other.m_y;
  m_z = other.m_z;
  //(4)返回本对象的引用
  return *this;
}


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