拷贝构造函数与赋值运算符重载函数要点

拷贝构造函数

一个小例子

　　最近在《剑指Offer》上看到了一道题（程序如下），要求我们分析编译运行的结果，并提供3个选项: A. 编译错误； B. 编译成功，运行时程序崩溃；C. 编译运行正常，输出10。 

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
private:
    int value;

public:
    A(int n) { value = n; }
    A(A other) { value = other.value; }
    void Print() { cout << value << endl; }
};

int main()
{
    A a = 10;
    A b = a;
    b.Print();
    return 0;
}

　　这个程序是通不过编译的，GCC和VS均通不过。根据《剑指Offer》上的解释，上述程序中的拷贝构造函数A(A other)传入的参数是A的一个实例，所以由于是传值参数，我们把形参复制到实参会调用拷贝构造函数。因此如果允许拷贝构造函数传值，就会在拷贝构造函数内调用复制构造函数，就会形成无休止的递归调用从而导致栈溢出。为了说明这个解释，我们先看下稍微修改过的程序：

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
private:
    int value;

public:
    A(int n) 
    { 
        value = n; 
        cout << "constructor with argument" << endl;
    }

    A(const A& other) 
    { 
        value = other.value; 
        cout << "copy constructor" << endl;
    }

    A& operator=(const A& other)
    {
        cout << "assignment operator" << endl;
        value = other.value;
        return *this;
    }

    void func(A other) 
    {  
    }
};

int main()
{
    A a = 10;    　　//    constructor with argument
    A b = 5;    　　 //    constructor with argument
    b = a;        　 //    assignment operator
    A c = a;    　　 //    copy constructor
    b.func(a);      //    copy constructor

    return 0;
}

　　程序的运行结果如下：

　　

　　对于上述程序的第39行，构造c，实质上是c.A(a)。假如拷贝构造函数参数不是引用类型的话，那么将使得c.A(a)变成a传值给c.A(A other)，即A other = a，而other没有被初始化，所以other = a将继续调用拷贝构造函数（这也是为什么调用func函数会调用拷贝构造函数）。接下来是构造other，也就是other.A(a)，即A other = a，又会触发拷贝构造函数，这样永远地递归下去。

　　

　　关于上述程序还有一些值得说明的：

　　1）当某对象没被初始化，这时运用赋值运算符调用的是拷贝构造函数；否则调用的是赋值运算符重载函数；

　　2）上述程序的“A a = 10”实际存在隐式类型转换（从int到A），这是编译器默认帮我们处理的。这条语句相当于：

A tmp(10);
A a(tmp);     // or a = tmp

　　如果我们不想编译器默认帮我们做这种转换，我们可以在构造函数前加上关键字explicit：

explicit A(int n)
{...}

　　这样，类似这样的赋值“A a = 10”将通不过编译。

　　另外，当我们定义如下的函数：如果构造函数前没有加explicit，则我们这样子调用test(10)是可以的；但如果加了explicit就会提示无法从‘int’转换为‘A’。

void test(A other)
{
}

　　关于explicit可参考：

　　What does the explicit keyword in C++ mean?

　　C++ explicit关键字 详解（用于构造函数）

　　3）关于public、protected、private几个关键字的重新理解。如果我们直接在main函数用a.value是不行的（因为权限是private），但在拷贝构造函数和重载赋值运算符函数中确是可以的，而且，当我们不将传入参数设定为const的话，我们在函数中还可以修改传入参数的值，这不是自相矛盾了吗？具体解释可以参考博文C++ 类访问控制public/private/protected探讨的说法：

　　“ 　　

　　类是将数据成员和进行于其上的一系列操作(成员函数)封装在一起。注意：成员函数可以操作数据成员（可以称类中的数据成员为泛数据成员）！　　

　　对象是类的实例化，怎样理解实例化？其实每一个实例对象都只是对其中的数据成员初始化，内存映像中每个对象仅仅保留属于自己的那份数据成员副本。而成员函数对于整个类而言却是共享的，即一个类只保留一份成员函数。

　　那么每个对象怎样和这些可以认为是“分离”的成员函数发生联系，即成员函数如何操作对象的数据成员？记住this指针，无论对象通过（.）操作或者（->）操作调用成员函数。编译时刻，编译器都会将这种调用转换成我们常见的全局函数的形式，并且多出一个参数（一般这个参数放在第一个，有点像python中类中函数声明中的self参数），然后将this指针传入这个参数。于是就完成了对象与成员函数的绑定（或联系）。

　　实例化后就得到同一个类的多个不同的对象，既然成员函数共享的，那么成员函数就可以操作对象的数据成员。

　　问题是现在有多个对象，成员函数需要知道操作的是哪个对象的数据成员？比如有对象obj1和obj2，都属于A类，A类有public成员函数foo()。如果obj1调用该函数，编译时会给foo函数传入this指针，obj1.foo中操作obj1自身的成员就不用任何修饰，直接访问，因为其中的数据成员自动根据this指针找到。

　　如果obj1调用该函数，同样可以访问同类的其他对象的数据成员！那么你需要做的是让foo函数知道是同类对象中哪个对象的数据成员，一个解决办法是传入同类其他对象的指针或引用，那么就可以操作同类其他对象的数据成员。

　　foo(A& obj)

　　这样定义，然后调用：

　　obj1.foo(obj2)

　　就可以在obj1访问obj2的数据成员，而无论这些数据成员是private还是protected

　　" 

处理静态成员变量

　　关于静态成员变量详细的可参考之前博文C/C++中关键字static的用法及作用。静态成员变量主要是为了同个类的不同实例之间数据的共享，所以其处理方法也跟其他成员变量稍微不一样。

　　先看下程序：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 构造函数，计数器加1
    {
        count++;
    }
    ~Rect()     // 析构函数，计数器减1
    {
        count--;
    }
    static int getCount()       // 返回计数器的值
    {
        return count;
    }
private:
    int width;
    int height;
    static int count;       // 一静态成员做为计数器
};

int Rect::count = 0;        // 初始化计数器

int main()
{
    Rect rect1;
    cout << "The count of Rect: " << Rect::getCount() << endl;

    Rect rect2(rect1);   // 使用rect1复制rect2，此时应该有两个对象
    cout << "The count of Rect: " << Rect::getCount() << endl;

    return 0;
}

　　程序的输出结果都是count = 1，这明显跟我们的期望值（应该是2）不一样。具体原因在于我们没有定制拷贝构造函数，而是由编译器帮我们自动生成一个默认拷贝函数：

Rect::Rect(const Rect& orig)
{
    width = orig.width;
    height = orig.height;
}

　　显然这里并没有处理静态成员变量count，所以我们需要定制拷贝构造函数：

Rect(const Rect& orig)   // 拷贝构造函数
{
    width = orig.width;
    height = orig.height;
    count++;             // 计数器加1
}

深拷贝与浅拷贝

　　深拷贝主要解决的问题是指针成员变量浅拷贝的问题。这方面的博文很多，可以参考博文C++拷贝构造函数详解。这篇博文有提到了几点值得注意的：

　　1. 防止默认拷贝（也能够禁止复制）

　　有一个小技巧可以防止按值传递——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。如下程序：

#include <iostream>
using namespace std;

class CExample
{
private:
    int value;

public:
    //构造函数
    CExample(int val)
    {
        value = val;
        cout << "creat: " << value << endl;
    }

private:
    //拷贝构造，只是声明
    CExample(const CExample& C);

public:
    ~CExample()
    {
        cout << "delete: " << value << endl;
    }

    void Show()
    {
        cout << value << endl;
    }
};

//全局函数
void g_Fun(CExample C)
{
    cout << "test" << endl;
}

int main()
{
    CExample test(1);
    // g_Fun(test); // 按值传递将出错

    return 0;
}

　　而根据《C++ Primer》第四版13.1.3节，要禁止类的复制， 类必须显示声明其复制构造函数为private。

　　

　　2. 小问题1：以下哪个函数是拷贝构造函数，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);

　　解答：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

　　

　　3. 小问题2：一个类中可以有多个拷贝构造函数吗？

　　解答：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
};

赋值运算符重载

 　  关于运算符重载可参考之前博文C++运算符重载。

　　在本文的第2个程序中我们就已经对赋值运算符进行了重载：

A& operator=(const A& other)
{
    cout << "assignment operator" << endl;
    value = other.value;

    return *this;
}

　　为了便于说明，我们用一个新的例子（我们极容易写出这样的代码）：

class CMyString
{
public:
    CMyString(char *ptr = nullptr);
    CMyString(const CMyString &str);
    ~CMyString();
    CMyString& operator=(const CMyString& str);

private:
    char *pData;
};

CMyString& CMyString::operator=(const CMyString& str)
{
    pData = str.pData;
    return *this;
}

　　 这个赋值运算符重载函数存在的问题如下：

　　1）浅拷贝；

　　2）没有（检查）释放实例自身已有的内存。如果我们忘记在分配新内存之前释放自身已有的空间，程序将出现内存泄漏；

　　3）没有判断传入的参数和当前的实例（*this）是不是同一个实例。如果是同一个，则不进行复制操作，直接返回。如果事先不判断就进行赋值，那么在释放实例自身的内存的时候就会导致严重问题：当*this和传入的参数是同一个实例时，那么一旦释放了自身的内存，传入的参数的内存也同时被释放了，因此在也找不到需要赋值的内容了。

　　修改之后的赋值运算符重载函数如下：

CMyString& CMyString::operator=(const CMyString& str)
{
    if (this == &str)
        return *this;

    delete []pData;
    pData = nullptr;

    pData = new char[strlen(str.pData) + 1];
    strcpy(pData, str.pData);

    return *this;
}

　　上述代码现在的问题在于4）异常安全性，即new可能会抛出异常，而我们却没有处理！所以我们可以将程序继续修改：

CMyString& CMyString::operator=(const CMyString& str)
{
    if (this == &str)
        return *this;

    char *tmp = new(nothrow) char[strlen(str.pData) + 1];
    if (tmp == nullptr)
        return *this;

    strcpy(tmp, str.pData);

    delete []pData;
    pData = tmp;
    tmp = nullptr;
    
    return *this;
}

　　除了前边提到的4个点，赋值运算符重载还有两点需要注意：

　　5）是否把返回值的类型声明为该类型的引用，并在函数结束前返回实例自身的引用（即*this）。只有返回一个引用，才可以允许连续赋值。否则如果函数的返回值是void，应用该赋值将不能做连续赋值。假设有3个CMyString对象：str1、str2和str3，在程序中语句str1=str2=str3将不能通过编译。

　　6）是否把传入的参数的类型声明为常量引用。如果传入的参数不是引用而是实例，那么从形参到实参会调用一次拷贝构造函数。把参数声明为引用可以避免这样的无谓消耗，从而提高代码效率。同时，我们在赋值运算符函数内不会修改传入的实例的状态，因此应该为传入的引用参数加上const关键字。

参考资料

　　《剑指Offer》

　　C++拷贝构造函数详解

　　C++ 类访问控制public/private/protected探讨