【C++从0到王者】第三站:类和对象(中)拷贝构造函数

简介: 【C++从0到王者】第三站:类和对象(中)拷贝构造函数


一、拷贝构造函数的概念

拷贝构造函数:只有单个形参,该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰),在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。

二、拷贝构造函数的特性

  1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式
  2. 拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用,使用传值方式编译器直接报错,因为会引发无穷递归调用。

根据以上的两个特性,那么我们先来简单的写一个拷贝构造函数

class Date
{
public:
  Date(int year = 2023, int month = 5, int day = 6)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }
  Date(Date& d)
  {
    _year = d._year;
    _month = d._month;
    _day = d._day;
  }
  void Print()
  {
    cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
int main()
{
  Date d1(2024, 5, 6);
  d1.Print();
  Date d2(d1);
  d2.Print();
  return 0;
}

根据上面的这些,我们已经不难理解,拷贝构造函数其实就是一个构造函数。而一旦确定了拷贝构造函数,那么有没有了默认构造函数了,我们就得写一个默认构造函数。

三、深度剖析拷贝构造函数不采用引用会无限递归的原因

1.C++对于传参的两个规定

  1. 如果传的是内置类型,则直接拷贝给形参
  2. 如果传的是自定义类型,则通过调用拷贝构造函数拷贝给形参

根据这两条规矩,我们可以写出如下代码来进行测试

class Date
{
public:
  Date(int year = 2023, int month = 5, int day = 6)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }
  Date(Date& d)
  {
    cout << "Date(Date& d)" << endl;
    _year = d._year;
    _month = d._month;
    _day = d._day;
  }
  void Print()
  {
    cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
void func(int i)
{
}
void func(Date d)
{
}
int main()
{
  //Date d1(2024, 5, 6);
  //d1.Print();
  //Date d2(d1);
  //d2.Print();
  Date d1;
  func(10);
  func(d1);
  return 0;
}

运行结果如下所示:

可见确实在传参的时候调用了拷贝构造函数

这样一来我们就明白了,一旦,我们是不采用引用,直接传值的话,那么在拷贝给形参的过程中又要去调用拷贝构造函数,这个拷贝构造又要传参去调用新的拷贝构造…所以自然就会发生无穷递归了

2.如何解开这个无穷递归

  1. 采用指针,指针是内置类型,所以是直接拷贝。不会引发无穷递归,但是我们在使用拷贝构造函数的时候就需要传地址过去了
  2. 采用引用,这样一来我们直接传的是它的别名。不会产生新的空间消耗,自然就不会发生无穷递归了,C++中也是最好采用这种方法,在我们使用引用的时候,最好加上const进行修饰,这样别名的权限就缩小了。使得我们不会做出一些危害原本空间的事情.

四、拷贝构造函数的其他特性

若未显式定义,编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数对象按内存存储按字节序完成拷贝,这种拷贝叫做浅拷贝,或者值拷贝。

注意:内置类型成员变量是直接拷贝的/浅拷贝
而自定义类型成员变量需要调用它的拷贝构造函数

我们来测试一下这条规则

事实上,上面的情形是基于第一条的场景,如果对于自定义类型,如果是栈的话,会出现一些意想不到的情形

typedef int DataType;
class Stack
{
public:
  Stack()
  {
    cout << "Stack" << endl;
    _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);
    if (nullptr == _array)
    {
      perror("malloc申请空间失败!!!");
      return;
    }
    _capacity = 4;
    _size = 0;
  }
  void Push(DataType data)
  {
    CheckCapacity();
    _array[_size] = data;
    _size++;
  }
  void Pop()
  {
    if (Empty())
      return;
    _size--;
  }
  DataType Top() { return _array[_size - 1]; }
  int Empty() { return 0 == _size; }
  int Size() { return _size; }
  ~Stack()
  {
    cout << "~Stack" << endl;
    if (_array)
    {
      free(_array);
      _array = nullptr;
      _capacity = 0;
      _size = 0;
    }
  }
private:
  void CheckCapacity()
  {
    if (_size == _capacity)
    {
      int newcapacity = _capacity * 2;
      DataType* temp = (DataType*)realloc(_array, newcapacity * sizeof(DataType));
      if (temp == nullptr)
      {
        perror("realloc申请空间失败!!!");
        return;
      }
      _array = temp;
      _capacity = newcapacity;
    }
  }
private:
  DataType * _array;
  int _capacity;
  int _size;
};
class Date
{
public:
  Date(int year = 2023, int month = 5, int day = 6)
  {
    _year = year;
    _month = month;
    _day = day;
  }
  //Date(Date& d)
  //{
  //  cout << "Date(Date& d)" << endl;
  //  _year = d._year;
  //  _month = d._month;
  //  _day = d._day;
  //}
  void Print()
  {
    cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
void func(int i)
{
}
void func(Date d)
{
}
int main()
{
  Date d1(2024, 5, 6);
  d1.Print();
  Date d2(d1);
  d2.Print();
  //Date d1;
  //func(10);
  //func(d1);
  Stack s1;
  Stack s2(s1);
  return 0;
}

这里我们发现它报错了,具体报错的原因,我们可以通过调试分析,我们可以发现,它在析构函数中出现了错误。我们可以发现,我们调用了两次析构,一次是对是说s2的释放,一次是对是s1的释放,而巧的是,由于我们的栈中是由指针控制的数组,所以当成了值拷贝,仅仅只是拷贝了指针指向的地址。就会产生同一块空间释放两次的结果,自然就会报错了。需要注意的是,调用析构的时候,是按照栈的特性,后定义的先释放。

这也就是我们为什么所说的编译器生成的其实是浅拷贝的原因。

这时候就需要我们自己去写一个深拷贝来解决了,我们先来简单的写一个简单的深拷贝

Stack(const Stack& s)
  {
    cout << "Stack(const Stack& s)" << endl;
    _array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * s._capacity);
    if (nullptr == _array)
    {
      perror("malloc申请空间失败!!!");
      return;
    }
    memcpy(_array, s._array, sizeof(DataType) * s._size);
    _capacity = s._capacity;
    _size = s._size;
  }

事实上,这时候我们也理解了为什么C++规定,自定义类型必须调用拷贝构造函数,如果不调用拷贝构造函数,那么如果在一个函数中传参传的是一个栈的话,就会产生将同一块空间析构两次的现象。而且也会产生一个栈的值改变了,影响另外一个栈的值的现象

注意:类中如果没有涉及资源申请时,拷贝构造函数是否写都可以;一旦涉及到资源申请时,则拷贝构造函数是一定要写的,否则就是浅拷贝

我们在来分析一下,对于这个队列,事实上其实就需要写自己的拷贝构造函数了,因为可以直接调用它们的拷贝构造函数

class myQueue
{
private:
  Stack push_st;
  Stack pop_st;
};

五、拷贝构造的一些使用场景

  • 使用已存在对象创建新对象
  • 函数参数类型为类类型对象
  • 函数返回值类型为类类型对象

使用对象创建新对象和函数参数我们已经了解了。在这期间会调用拷贝构造函数来实现拷贝

那么如果是对于返回值类型为类类型对象的话

如下所示,该过程比较复杂:

  1. 先进入func函数,调用s的构造函数,打印Stack
  2. 打印func函数中的字符串
  3. 由于是传值返回,会产生临时变量,将s的值调用拷贝构造函数给这个临时变量,打印深拷贝构造中的字符串
  4. 释放s,调用析构函数,打印析构的字符串
  5. 将临时变量中的数据直接拷贝给ret,然后释放临时变量调用析构函数,打印析构中的字符串

如果我们选择传引用返回的话,程序直接崩溃。

下面具体分析原因:

  1. 进入func函数,创建s,调用构造函数
  2. 打印func中的字符串
  3. 由于传引用返回不创建临时变量,所以直接调用析构
  4. 此时s的空间已经归还,继续将s的别名返回,相当于将s拷贝给ret,调用拷贝构造函数
  5. 由于在析构函数中,已经将指针置空。我们在拷贝构造函数中的memcpy已经是野指针访问了,报错
  6. 野指针访问虽然是直接原因,但如果没有这个原因的话,也会因为拷贝后的第二次析构而报错

好了本期内容就到这里了

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