C++中的拷贝构造函数和深浅拷贝

一丶 拷贝构造函数I. 引入II. 编写形式III. 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而且必须是类类型对象的引用,使用传值的方式时编译器将直接报错,因为会引发无穷递归调用3. 若未显式定义,编译器会生成默认的拷贝构造函数。4. 编译器生成的默认拷贝构造函数已经可以完成字节序的值拷5. 拷贝构造函数典型的调用场景:

二丶浅拷贝和深拷贝I. 浅拷贝II. 深拷贝

一丶 拷贝构造函数

I. 引入

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

这里我们以一个类Date举例,编写它的构造函数:

#include

using namespace std;

class Date

{

public:

//自定义的全缺省型默认构造函数

Date(int day = 1, int month = 12, int year = 2024)

{

_day = day;

_month = month;

_year = year;

}

//自定义编写的拷贝构造函数

Date(const Date& date)

{

cout << "Date& date" << endl;

_day = date._day;

_month = date._month;

_year = date._year;

}

private:

int _day = 1;

int _month = 1;

int _year = 1;

};

拷贝构造函数的格式是这样的:

Date(const Date& date)

{

cout << "Date& date" << endl;

_day = date._day;

_month = date._month;

_year = date._year;

}

这里要先说明一下:在自定义类型本身作为形参类型时,传递值会调用该类类型的拷贝构造函数。在内部它通过该类类型的拷贝构造函数生成一个临时对象,再将该对象传递给形参。 因为这个原因,它必须接受引用值作为形参来创建本身的拷贝构造函数,这个具体原因在下面。

这个过程跟进行运算时生成临时对象很相似。

1.当自定义类型本身作为形参类型时,传递值会调用该类类型的拷贝构造函数。 2.当自定义类型的引用作为形参类型时,传递值不会调用该类类型的拷贝构造函数。 3.当自定义类型的指针作为形参类型时,传递值不会调用该类类型的拷贝构造函数。

#include

using namespace std;

class Date

{

public:

Date(int day = 1, int month = 12, int year = 2024)

{

_day = day;

_month = month;

_year = year;

}

Date(const Date& date)

{

cout << "Date& date" << endl;

_day = date._day;

_month = date._month;

_year = date._year;

}

void Print()

{

cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;

}

private:

//这里是设置缺省值 不是定义

//此处对象未生成,不存在定义一说

int _day = 1;

int _month = 1;

int _year = 1;

};

void func(Date d)

{

d.Print();

}

void funcA(Date& d)

{

d.Print();

}

void funcB(Date* d)

{

d->Print();

}

int main()

{

Date d1;

func(d1); //调用拷贝构造

funcA(d1); //不调用拷贝构造

funcB(&d1); //不调用拷贝构造

return 0;

}

可以进入VS的调式进行观察,使用自定义类型的指针或者引用时,不需要再通过调用拷贝构造函数来传参了。

这里有一个小细节。在隐式调用拷贝构造函数时,会先利用缺省值来初始化创建对象,而后再进入拷贝构造函数。

在创建对象时,如果有缺省值,都会先用缺省值来初始化对象,如果构造函数中有值来初始化,那么就会覆盖该缺省值。无论是拷贝构造还是普通构造,它的内部都是这样的顺序。

II. 编写形式

类类型(const 类类型& 形参名称) 形如上面的Date类的拷贝构造函数:

Date(const Date& date)

{

cout << "Date& date" << endl;

_day = date._day;

_month = date._month;

_year = date._year;

}

为什么这里是const属性的形参呢? 这里来解释一下。首先无论实参是否为const属性,传入到拷贝构造中,都没有负面影响:对于const属性的实参来说,本身是平级传递;对于非const属性的实参来说,传递过程属于权限的缩小(由非const属性的可读可写临时转变为const属性的可读),语法是允许权限缩小的,因此也没影响。 那么重点来了,如果我们设置const属性,而是普通的变量属性(去掉const),那么在该拷贝构造函数内部就有权限更改原有对象了,这个会影响安全性,不是我们想要的结果,我们的目的是通过该对象生成一个一摸一样的对象,而不是更改原有的对象。 于是设置成const属性。

III. 特性

拷贝构造函数是特殊的类成员函数,有如下特征:

1. 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。

拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。

也就是说,普通的构造函数,无论是默认的还是其他,与拷贝构造函数,只能选取其一进行初始化对象。因为拷贝构造函数本身是构造函数,属于重载。

2. 拷贝构造函数的参数只有一个而且必须是类类型对象的引用,使用传值的方式时编译器将直接报错,因为会引发无穷递归调用

拷贝构造函数的参数只有一个而且必须是类类型对象的引用,使用传值的方式时编译器将直接报错,因为会引发无穷递归调用。

class Date

{

public:

Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)

{

_year = year;

_month = month;

_day = day;

}

// Date(const Date& d) // 正确写法

Date(const Date d) // 错误写法:编译报错,会引发无穷递归

{

_year = d._year;

_month = d._month;

_day = d._day;

}

private:

int _year;

int _month;

int _day;

};

int main()

{

Date d1;

Date d2(d1);

return 0;

}

它是如何引发无限递归呢?看一张图应该就清晰明了了。

若写成Date(const Date date)这样的形式,首先它就不构成拷贝构造了,它成为了普通的构造函数,那么在Date d2(d1)时会调用符合特征标的构造函数,自然对接Date(const Date date)。我们在上面提过,在自定义类型本身作为形参类型时,传递值会调用该类类型的拷贝构造函数。就也是说在代码走到Date(const Date date)这一行的时候,还得先调用拷贝构造函数,但是我们没有创建正确的拷贝构造函数,于是它就会不断地调用寻找拷贝构造,就如上图,因为根本没有拷贝构造函数,而内部要求它不断寻找,不断地调用符合特征标的函数,就形成了无限的递归调用。

3. 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字节序完成拷贝,这种拷贝叫做浅拷贝,或者值拷贝。

浅拷贝可以理解为单纯地进行值的复制(在下面会详细举例)。

#include

using namespace std;

class Time

{

public:

Time()

{

_hour = 1;

_minute = 1;

_second = 1;

}

Time(const Time& t)

{

_hour = t._hour;

_minute = t._minute;

_second = t._second;

cout << "Time::Time(const Time&)" << endl;

}

private:

int _hour;

int _minute;

int _second;

};

class Date

{

private:

// 基本类型(内置类型)

int _year = 1970;

int _month = 1;

int _day = 1;

// 自定义类型

Time _t;

};

int main()

{

Date d1;

// 用已经存在的d1拷贝构造d2,此处会调用Date类的拷贝构造函数

// 但Date类并没有显式定义拷贝构造函数,则编译器会给Date类生成一个默认的拷贝构造函数

Date d2(d1);

return 0;

}

注意:在编译器生成的默认拷贝构造函数中,内置类型是按照字节方式进行直接拷贝的,而自定义类型是调用其拷贝构造函数完成拷贝的。

4. 编译器生成的默认拷贝构造函数已经可以完成字节序的值拷

类中如果没有涉及资源申请,拷贝构造函数是否自行编写都可以;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。

浅拷贝有时会带来不好的问题,比如内存的重复释放。

5. 拷贝构造函数典型的调用场景:

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

使用已存在对象创建新对象,以及 函数参数类型为类类型对象,这两种情况在上面的例子中都有体现,这里我们说一下第三种情况:函数返回值类型为类类型对象时。

#include

using namespace std;

class Date

{

public:

Date(int year, int minute, int day)

{

cout << "Date(int,int,int):" << this << endl;

}

Date(const Date& d)

{

cout << "Date(const Date& d):" << this << endl;

}

~Date()

{

cout << "~Date():" << this << endl;

}

private:

int _year;

int _month;

int _day;

};

//函数返回值类型为类类型对象

Date Test(Date d)

{

Date temp(d);

//返回类类型对象

return temp;

}

int main()

{

Date d1(2022, 1, 13);

Test(d1);

return 0;

}

这里要先讲一下不同的对象在调用各自的构造以及析构时的时机。它们遵循“先构造的后析构,后构造的先析构”的原则。函数调用建立栈帧,析构和构造也是同理,它们依然遵循栈的机制,确保先构造生成的对象不会在后续操作时已经被析构了,它一定要后面才析构。

上述代码中d1先调用构造,代码继续执行,至Test(d1)调用函数,进入函数体内部;执行代码Date temp(d)时将调用拷贝构造生成temp,此后return temp作为返回值会通过拷贝构造函数生成一个临时对象进行返回。 捋一下目前的构造:d1普通构造->形参d对象生成要调用拷贝构造->temp拷贝构造->return temp拷贝构造生成的临时对象; 析构正好是反过来:return temp拷贝构造生成的临时对象析构->temp析构->形参d对象析构->d1析构。 这里return temp的临时对象在构造和析构的时候被编译器优化掉了,不会显示出来。但从语法的角度讲,这里一共是进行了四个对象的四次析构和构造。

注意:为了提高程序效率,一般对象传参时,尽量使用引用类型,返回时根据实际场景,能用引用尽量使用引用。

二丶浅拷贝和深拷贝

I. 浅拷贝

默认的拷贝构造函数对象按内存存储字节序完成拷贝,这种拷贝叫做浅拷贝,或者值拷贝。

我们说浅拷贝可以理解为单纯地进行值的复制拷贝。 下面代码将展示浅拷贝可能发生的问题:

#include

using namespace std;

typedef int DataType;

class Stack

{

public:

Stack(size_t capacity = 10)

{

_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));

if (nullptr == _array)

{

perror("malloc申请空间失败");

return;

}

_size = 0;

_capacity = capacity;

}

void Push(const DataType& data)

{

// CheckCapacity();

_array[_size] = data;

_size++;

}

~Stack()

{

if (_array)

{

free(_array);

_array = nullptr;

_capacity = 0;

_size = 0;

}

}

private:

DataType* _array;

size_t _size;

size_t _capacity;

};

int main()

{

Stack s1;

s1.Push(1);

s1.Push(2);

s1.Push(3);

s1.Push(4);

Stack s2(s1);

return 0;

}

执行结果: 上述代码将发生运行时错误,我们直接说报错原因:内存重复释放。 栈s1进行push了4个值,这四个值是我们进行动态开辟内存获得空间来存储的。之后我们将s1的值利用拷贝构造赋值给栈s2,此时由于是编译器自行生成的拷贝构造函数,那么它进行的是浅拷贝,浅拷贝单纯地进行值的复制拷贝,进行s2._array = s1._array; s2._size = s1._size; s2._capacity =- s1._capacity;这样的操作。 在这里的s2._array = s1._array是进行了指针值的复制传递,但是,仅仅是复制了指针的值,此时s1的_array和s2的_array是指向同一块空间的,那么最后程序结束前调用析构,析构中要free(_array),s1和s2都进行同一块内存空间的内存释放,这就造成了内存重复释放。

不难看出,浅拷贝这个问题主要是由于多个指针指向同一块内存资源,导致在资源管理的时候多次释放。想解决这个问题,就需要进行深拷贝。

II. 深拷贝

深拷贝不仅进行值的拷贝,还将指针指向的内存也进行拷贝。

对于进行深拷贝的操作,我们拿Stack进行举例,假如它在拷贝构造函数中实现了深拷贝操作,那么在利用拷贝构造函数创建新对象的时候,_size,_capacity的值会被拷贝进新的对象中,同时,_array指向的内存被拷贝入新对象中,而不是指针_array值的传递。而新对象接受_array指向的内存的空间的开辟是由深拷贝操作完成的,深拷贝操作不仅进行值的拷贝,还将为指针类型开辟内存空间,为原对象指针指向的内存空间进行拷贝操作。 下面代码Stack中的拷贝构造函数实现深拷贝的操作:

#include

using namespace std;

typedef int DataType;

class Stack

{

public:

Stack(size_t capacity = 10)

{

_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));

if (nullptr == _array)

{

perror("malloc申请空间失败");

return;

}

_size = 0;

_capacity = capacity;

}

//深拷贝

//为新对象的指针指向的内存开辟新的空间 并将原对象的内存拷贝进新对象开辟的内存空间中

Stack(const Stack& st)

{

_array = (DataType*)malloc(st._capacity * sizeof(DataType));

if (nullptr == _array)

{

perror("malloc申请空间失败");

return;

}

memcpy(_array, st._array, sizeof(DataType) * st._size);

_size = st._size;

_capacity = st._capacity;

}

void Push(const DataType& data)

{

// CheckCapacity();

_array[_size] = data;

_size++;

}

~Stack()

{

if (_array)

{

free(_array);

_array = nullptr;

_capacity = 0;

_size = 0;

}

}

private:

DataType* _array;

size_t _size;

size_t _capacity;

};

int main()

{

Stack s1;

s1.Push(1);

s1.Push(2);

s1.Push(3);

s1.Push(4);

Stack s2(s1);

return 0;

}

进行深拷贝后,代码可以正常运行。

深拷贝完成了应该做到的资源管理,确保了每一个指针都独立维护属于自己的内存,因此不会出现同一块内存被重复释放的情况。

本博客仅供个人参考,如有错误请多多包含。

Aruinsches-C++日志-4/13/2024

参考文章

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