C++中的拷贝构造函数

2021-01-10 本文已影响0人 CurryCoder

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1.拷贝构造函数

拷贝构造函数是一种特殊的构造函数，它在创建对象时，是使用同一类中之前创建的对象来初始化新创建的对象。拷贝构造函数通常用于：
- a.当用类的一个对象去初始化该类的另一个对象（或引用）时系统自动调用拷贝构造函数实现拷贝赋值
- b.若函数的形参为类对象，调用函数时，实参赋值给形参，系统自动调用拷贝构造函数
- c.当函数的返回值是类对象时，系统自动调用拷贝构造函数
如果在类中没有定义拷贝构造函数，编译器会自行定义一个。如果类带有指针变量，并有动态内存分配，则它必须有一个拷贝构造函数。拷贝构造函数的最常见形式如下：
```
    类名 (const 类名 &obj){  // obj 是一个对象引用，该对象是用于初始化另一个对象的
        拷贝构造函数的主体;
    }
```

实例如下：

    #include "iostream"

    using namespace std;


    class Line{
        public:
            int getLength();
            Line(int len);  // 普通的构造函数
            Line(const Line &obj); // 拷贝构造函数
            ~Line();  // 析构函数
        private:
            int *ptr;
    };
    // 构造函数定义 
    Line::Line(int len){
        cout << "调用构造函数..." << endl;
        ptr = new int;  // 为指针分配内存
        *ptr = len;
    }
    // 拷贝构造函数定义
    Line::Line(const Line &obj){  // &obj是对象line的一个引用，用这个对象的引用来初始化另一个对象
        cout << "调用拷贝构造函数，并为指针ptr分配内存" << endl;
        ptr = new int;
        *ptr = *obj.ptr;  // 拷贝值
    }
    // 析构函数定义
    Line::~Line(){
        cout << "释放内存\n";
        delete ptr;
    }
    // 普通成员函数定义
    int Line::getLength(){
        return *ptr;
    }

    void display(Line obj){
        cout << "line大小: " << obj.getLength() << endl;
    }


    int main(){
        Line line(10);
        display(line);
        return 0;
    }

下面的实例是对上面的例子进行修改，通过使用已有的同类型的对象来初始化新创建的对象:

    #include "iostream"

    using namespace std;


    class Line{
        public:
            int getLength();
            Line(int len);  // 普通的构造函数
            Line(const Line &obj); // 拷贝构造函数
            ~Line();  // 析构函数
        private:
            int *ptr;
    };
    // 构造函数定义 
    Line::Line(int len){
        cout << "调用构造函数..." << endl;
        ptr = new int;  // 为指针分配内存
        *ptr = len;
    }
    // 拷贝构造函数定义
    Line::Line(const Line &obj){  // &obj是对象line的一个引用，用这个对象的引用来初始化另一个对象
        cout << "调用拷贝构造函数，并为指针ptr分配内存" << endl;
        ptr = new int;
        *ptr = *obj.ptr;  // 拷贝值
    }
    // 析构函数定义
    Line::~Line(){
        cout << "释放内存\n";
        delete ptr;
    }
    // 普通成员函数定义
    int Line::getLength(){
        return *ptr;
    }

    void display(Line obj){
        cout << "line大小: " << obj.getLength() << endl;
    }


    int main(){
        Line line(10);
        display(line);
        cout << "-------------------------------\n";
        Line line2 = line;  // 调用拷贝构造函数
        display(line2);
        return 0;
    }

2.什么是拷贝构造函数

首先对普通类型的对象来说，它们之间的赋值是简单的，如:int a = 100;int b = a;而类的对象与普通对象是不同的，类的对象内部结构一般比较复杂，存在各种成员变量，下面是一个简单的类对象拷贝的例子:

    // 类的对象拷贝的简单例子
    class C{
        private:    
            int a;
        public:
        // 构造函数
            C(int b): a(b){
                cout << "这是构造函数....\n";
            }
        // 拷贝构造函数:一种特殊的构造的函数，函数的名称必须与类名一样，它必须的一个参数是本类类型的一个引用变量
            C(const C &C_rename){  // 这里没有自定义拷贝构造函数的话，必须使用系统默认的拷贝构造函数
                a = C_rename.a;
                cout << "这个是拷贝构造函数......\n";
            }
            // 一般的成员函数
            void show(){
                cout << "a = " << a << endl;
            }
    };
    C c1_obj(666);
    C c2_obj = c1_obj; // 等价于C c2_obj(c1_obj);
    c2_obj.show();

3.拷贝构造函数的调用时机

3.1 对象以值传递的方式传入作为函数参数

        // 1.对象以值传递的方式传入函数作为参数
        class D{
            private:
                int a;
            public:
                // 构造函数
                D(int b): a(b){
                    cout << "这是D的构造对象...\n";
                }
                // 拷贝构造函数
                D(const D& d_reference){
                    a = d_reference.a;
                    cout << "这是拷贝构造函数...\n";
                }
                // 析构函数
                ~D(){
                    cout << "这是析构函数,删除a = " << a << endl;
                } 
                // 普通成员函数
                void show(){
                    cout << "a = " << a << endl;
                } 
        };

        // 全局函数，传入的函数参数是D的某个对象
        void d_Fun(D d){
            cout << "test D\n";
        }
        D d_obj1(999);
        d_Fun(d_obj1);

调用函数d_Fun()时，会产生以下几个重要的步骤：
- 对象d_obj1传入d_Fun()的形参时，会先产生一个临时变量temp;
- 然后调用拷贝构造函数会把d_obj1的值给temp,整个过程类似于D temp(d_obj1);
- 等d_Fun()执行完后，析构掉temp对象

3.2 对象以值传递的方式从函数返回

       class E{
       private:
           int a;
       public:
           // 构造函数
           E(int b) : a(b){
               cout << "这是E的构造函数...\n";
           }
           // 拷贝构造函数
           E(const E& e_reference){
               a = e_reference.a;
               cout << "这是E的拷贝构造函数...\n";
           }
           // 析构函数
           ~E(){
               cout << "这是析构函数,删除a = " << a << endl;
           }
           // 普通成员函数
           void show(){
               cout << "a = " << a << endl;
           }
       };

       // 全局函数
       E e_fun(){
           E temp(3);
           return temp;
       }

       int main(){
           e_fun();
           return 0;
       }

当调用e_fun()函数执行到return时，会产生几个重要的步骤:
- 先产生一个临时变量xxx
- 然后调用拷贝构造函数把temp的值给xxx,整个过程类似于E xxx(temp);
- 在函数执行到最后先析构temp局部变量
- 等e_fun()执行完后再析构掉xxx对象

3.3 对象需要通过另一个对象来初始化

        C c_obj1(100);
        C c_obj2(c_obj1);  // 类似于C c_obj2 = c_obj1;

4.浅拷贝与深拷贝

4.1 默认拷贝构造函数

很多时候我们都不知道拷贝构造函数的情况下，传递对象参数或从函数返回对象都能很好的进行，这是因为编译器会给我们自动产生一个拷贝构造函数，这就是默认拷贝构造函数，这个构造函数很简单，仅仅使用老对象的数据成员的值来对新的对象的数据成员一一赋值，它具有以下的形式:
```
    Rect::Rect(const Rect& r){
        width = r.width;
        length = r.length;
    }
```

当然，上面的代码不用我们自己写，可以由编译器自动生成。但是如果认为这样就可以解决对象的复制问题，那就错了！看下面的代码:

    class Rect{
        public:
            Rect(){
                count++;
            }
            ~Rect(){
                count--;
            }
            static int getCount(){  // 静态成员函数
                return count;
            }
        private:
            int width;
            int length;
            static int count;  // 静态成员变量count来计数
    };
    
    Rect rect1;
    cout << "The count of Rect: " << Rect::getCount() << endl;

    Rect rect2(rect1);  // 新的对象需要使用老的对象来进行初始化
    cout << "The count of Rect: " << Rect::getCount() << endl;

错误的结果.png

上面的代码对Rect类，加入了一个静态成员，目的是进行计数。在主函数中，首先创建对象rect1，输出此时的对象个数，然后使用rect1复制出对象rect2，再输出此时的对象个数。按照理解，此时应该有两个对象存在，但实际程序运行时，输出的都是1，反应出只有1个对象。此外，在销毁对象时，由于会调用销毁两个对象，类的析构函数会调用两次，此时的计数器将变为负数。说白了，就是默认的拷贝构造函数没有处理静态数据成员。出现这些问题最根本就在于在复制对象时，计数器没有递增，我们重新编写拷贝构造函数，如下：
```
    class Rect{
        public:
            Rect(){
                count++;
            }
            // 自定义拷贝构造函数
            Rect(const Rect& r){
                width = r.width;
                length = r.length;
                count++;
            }
            ~Rect(){
                count--;
            }
            static int getCount(){  // 静态成员函数
                return count;
            }
        private:
            int width;
            int length;
            static int count;  // 静态成员变量count来计数
    };

    // 静态成员变量初始化
    int Rect::count = 0;
```
正确的结果.png

4.2 浅拷贝

所谓浅拷贝，指的是在对象复制时，只对对象中的数据成员进行简单的赋值，默认拷贝构造函数执行的也是浅拷贝。大多情况下“浅拷贝”已经能很好地工作了，但是一旦对象存在了动态成员，那么浅拷贝就会出问题了，让我们考虑如下一段代码：

    // 浅拷贝
    class BB{
        public:
            BB(){  // 构造函数，p指向堆中分配的一空间
                p = new int(100);
            }
            ~BB(){  // 析构函数，释放动态分配的空间
                if(p!=NULL)
                    delete p;
            }
        private:
            int width;
            int length;
            int *p;  // 指针成员
    };
    BB rect1;
    BB rect2 = rect1;  // 复制对象

在上面的代码运行结束之前，会出现一个运行错误。原因就在于在进行对象复制时，对于动态分配的内容没有进行正确的操作。我们来分析一下：
- 1. 在运行定义rect1对象后，由于在构造函数中有一个动态分配的语句，因此执行后的内存情况大致如下：
    
    定义rect1对象后.png
- 1. 在使用rect1复制rect2时，由于执行的是浅拷贝，只是将成员的值进行赋值，这时 rect1.p = rect2.p，也即这两个指针指向了堆里的同一个空间，如下图所示：
    
    rect1复制到rect2对象.png
- 3.当然，这不是我们所期望的结果，在销毁对象时，两个对象的析构函数将对同一个内存空间释放两次，这就是错误出现的原因。我们需要的不是两个p有相同的值，而是两个p指向的空间有相同的值，解决办法就是使用“深拷贝”。

4.3 深拷贝

在深拷贝的情况下，对于对象中动态成员，就不能仅仅简单地赋值了，而应该重新动态分配空间，如上面的例子就应该按照如下的方式进行处理：

    class DD{
    public:
        DD(){
            p = new int (100);
            cout << "这是DD的构造函数\n";
        }
        // 自定义默认拷贝构造函数
        DD (const DD& dd){
            width = dd.width;
            length = dd.length;
            p = new int;  // 为新对象重新动态分配空间
            *p = *(dd.p);
            cout << "这是DD的拷贝构造函数\n";
        }
        ~DD(){
            if (p!=NULL)
                delete p;
                cout << "这是DD的析构函数\n";
        }
    private:
        int width;
        int length;
        int *p;
    };
    DD rect1;
    DD rect2(rect1);

此时，在完成对象的复制后，此时rect1的p和rect2的p各自指向一段内存空间，但它们指向的空间具有相同的内容，这就是所谓的“深拷贝”,内存的一个大致情况如下：

深拷贝.png

4.4 防止默认拷贝的发生

通过对对象复制的分析，我们发现对象的复制大多在进行“值传递”时发生，这里有一个小技巧可以防止按值传递即声明一个私有拷贝构造函数。甚至不必去定义这个拷贝构造函数，这样因为拷贝构造函数是私有的，如果用户试图按值传递或函数返回该类对象，将得到一个编译错误，从而可以避免按值传递或返回对象。

    // 防止默认拷贝的发生
    class FF{
        private:
            int a;
        public:
            FF(int b): a(b){
                cout << "这是FF的构造函数\n";
            }
        private:
            FF(const FF& ff){
                a = ff.a;
                cout << "这是FF的拷贝构造函数\n";
            }
        public:
            ~FF(){
                cout << "这是FF的析构函数,删除a = " << a << endl;
            }
            // 普通成员函数
            void show(){
                cout << "a = " << a << endl;
            }
    };

    // 全局函数
    void ff_fun(FF ff_param){
        cout << "test\n";
    }
    FF test(1);
    // ff_fun(test);  按值传递将会报错!

5.拷贝构造函数的几个细节知识

拷贝构造函数里能调用private成员变量吗?
- 拷贝构造函数其时就是一个特殊的构造函数，操作的还是自己类的成员变量，所以不受private的限制。
以下函数哪个是拷贝构造函数,为什么?
```
    X::X(const X&);    
    X::X(X);    
    X::X(X&, int a=1);    
    X::X(X&, int a=1, int b=2);
```
- 解释:对于一个类X, 如果一个构造函数的第一个参数是下列之一:
```
    a) X&
    b) const X&
    c) volatile X&
    d) const volatile X&
```
且没有其他参数或其他参数都有默认值,那么这个函数是拷贝构造函数.
X::X(const X&); //是拷贝构造函数 X::X(X&, int=1); //是拷贝构造函数 X::X(X&, int a=1, int b=2); //当然也是拷贝构造函数
一个类中可以存在多于一个的拷贝构造函数吗?
- 类中可以存在超过一个拷贝构造函数
```
    class X { 
        public:       
        X(const X&);      // const 的拷贝构造
        X(X&);            // 非const的拷贝构造
        };
```
- 注意,如果一个类中只存在一个参数为X&的拷贝构造函数,那么就不能使用const X或volatile X的对象实行拷贝初始化.
```
    class X{    
        public:
        X();    
        X(X&);
        };    

        const X cx;    
        X x = cx;    // error
```
- 如果一个类中没有定义拷贝构造函数,那么编译器会自动产生一个默认的拷贝构造函数;这个默认的参数可能为 X::X(const X&)或 X::X(X&),由编译器根据上下文决定选择哪一个。