C++对象模型：构造函数语意--Default Constructor 什么时候生成，又做了什么

引言

C++ Annotated Reference Manual中告诉我们：default constructors 在需要的时候被编译器产生出来；那么被谁需要？又做了什么事情呢？

一个简单的例子

#include 
class Foo { // 不会合成出一个default constructor
public:
    int val;
    Foo *pNext;
};

void FooBar()
{
    Foo bar; 
    if (bar.val || bar.pNext) {
        printf("bar's members is not all zero.\n"); // 实际运行分支
    } else {
        printf("bar's member is all zero).\n"); // 按照程序的预期，应该运行该分支
    }
    printf("bar.val:%d bar.pNext:%p \n", bar.val, bar.pNext);
}
int main()
{
	FooBar();
	return 0;
}

这个例子中，正确的程序语意是Foo有个default constructor，可以将它的两个member初始化为0；然而真正的输出是：

bar’s members is not all zero.
bar.val:4196352 bar.pNext:0x400650

两个member并没有被初始化为0；回头再看“default constructors 在需要的时候被编译器产生出来”这句话，这里要注意差别，该例子中是程序的需要，这句话是编译器的需要；程序的需要是程序员的责任，所以上述例子不会合成出一个default constructor；

确认到底有没有生成default constructor

可以使用二进制查看工具查看二进制中的是否存在构造函数的FUNC
1、没有生成默认构造函数的结果如下（即上述代码）

root@xxx:/home/yms/Test# readelf -s main | grep FUNC
1: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND puts@GLIBC_2.2.5 (2)
2: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND printf@GLIBC_2.2.5 (2)
3: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@GLIBC_2.2.5 (2)
30: 00000000004004a0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 deregister_tm_clones
31: 00000000004004e0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 register_tm_clones
32: 0000000000400520 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 __do_global_dtors_aux
35: 0000000000400540 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 frame_dummy
47: 0000000000400630 2 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 __libc_csu_fini
50: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND puts@@GLIBC_2.2.5
52: 0000000000400634 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 15 _fini
53: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND printf@@GLIBC_2.2.5
54: 0000000000400566 73 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 _Z6fooBarv
55: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND _libc_start_main@@GLIBC
60: 00000000004005c0 101 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 __libc_csu_init
62: 0000000000400470 42 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 _start
64: 00000000004005af 16 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 main
68: 0000000000400400 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 11 _init

2、将上述Foo类修改成如下

class Demo {
public:
    Demo(){};
};

class Foo {
public:
    int val;
    Foo *pNext;
    Demo demo;
};

再看二进制中FUNC有哪些：

root@xxx:/home/yms/Test# readelf -s main | grep FUNC
1: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND puts@GLIBC_2.2.5 (2)
2: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __stack_chk_fail@GLIBC_2.4 (3)
3: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND printf@GLIBC_2.2.5 (2)
4: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@GLIBC_2.2.5 (2)
30: 0000000000400510 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 deregister_tm_clones
31: 0000000000400550 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 register_tm_clones
32: 0000000000400590 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 __do_global_dtors_aux
35: 00000000004005b0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 frame_dummy
47: 0000000000400700 2 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 __libc_csu_fini
50: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND puts@@GLIBC_2.2.5
51: 000000000040066a 31 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN3FooC2Ev // // 此处为编译器产生的默认构造函数
53: 0000000000400704 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 15 _fini
54: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __stack_chk_fail@@GLIBC_2
55: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND printf@@GLIBC_2.2.5
56: 000000000040065e 11 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN4DemoC2Ev
57: 00000000004005d6 120 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 _Z6fooBarv
58: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND _libc_start_main@@GLIBC
59: 000000000040066a 31 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN3FooC1Ev // 此处为编译器产生的默认构造函数
64: 000000000040065e 11 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN4DemoC1Ev
65: 0000000000400690 101 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 __libc_csu_init
67: 00000000004004e0 42 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 _start
69: 000000000040064e 16 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 main
73: 0000000000400460 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 11 _init

为什么有两个构造函数的符号，可以参考此回答

符号名字含义：

_Z | N | 3Foo | C1 | E | v
prefix | nested | Foo | Constructor | end nested | parameters: void

tips：另外还需注意，被编译器合成出来的constructor只执行编译器所需的行动，也就是说合成的default constructor不会将两个data members 初始化为0。

何时才会合成一个default constructor

答案是当编译器需要它的时候；那么什么情况下编译器会需要它呢，分为下面4种情况

1. 带有Default Constructor的Member Class Object
   如果一个class没有任何constructor，但它内含一个member object，而后者有default constructor，那么这个class的implicit default constructor就是nontrival (也就是会合成一个default constructor)，同上一节修改后的Foo类。
   如果default constructor已经被显示定义出来，那么编译无法合成第二个，那么编译器会是什么行为呢？
   行为如下：如果Class A内含一个或一个以上的member class objects，那么Class A的每一个constructor必须调用每一个member class的default constructor；编译器会扩张已存在的constructor，在其中安插一些代码，使得user code被执行之前，先调用必要的default constructor。
   如果有多个class member objects都要求constructor初始化操作，C++要求以member objects在class的声明顺序来调用各个constructor。
   示例如下：

#include 
#include 

class Demo1 {
public:
   Demo1() {
       printf("Demo1 constructor\n");
   };
};
class Demo2 {
public:
   Demo2() {
       printf("Demo2 constructor\n");
   };
};
class Foo {
public:
   Foo() {
       printf("Foo constructor\n");
   };
   int val;
   Foo *pNext;
   Demo2 demo2;
   Demo1 demo1;
};

void fooBar()
{
   Foo bar;
}

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

输出：

root@xxx:/home/yms/Test# ./main
Demo2 constructor
Demo1 constructor
Foo constructor

2. 带有Default Constructor的Base Class
   如果一个没有任何constructor的class派生自一个“带有default constructor”的base class，那么这个derived class的default constructor会被视为nontrivial。
   示例：

#include 
#include 

class Base {
public:
    Base(){
        printf("Base constructor\n");
    };
};

class Foo : public Base {
public:
    int val;
    Foo *pNext;
};

void fooBar()
{
    Foo bar;
}

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

root@DAVINCI-D01-001:/home/yms/Test# readelf -s main1 | grep FUNC
1: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND puts@GLIBC_2.2.5 (2)
2: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __stack_chk_fail@GLIBC_2.4 (3)
3: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@GLIBC_2.2.5 (2)
30: 00000000004004d0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 deregister_tm_clones
31: 0000000000400510 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 register_tm_clones
32: 0000000000400550 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 __do_global_dtors_aux
35: 0000000000400570 0 FUNC LOCAL DEFAULT 14 frame_dummy
47: 0000000000400690 2 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 __libc_csu_fini
50: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND puts@@GLIBC_2.2.5
51: 00000000004005fa 27 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN3FooC2Ev
53: 0000000000400694 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 15 _fini
54: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __stack_chk_fail@@GLIBC_2
55: 0000000000400596 58 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 _Z6fooBarv
56: 00000000004005e0 25 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN4BaseC1Ev
57: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND _libc_start_main@@GLIBC
58: 00000000004005fa 27 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN3FooC1Ev
62: 00000000004005e0 25 FUNC WEAK DEFAULT 14 _ZN4BaseC2Ev
64: 0000000000400620 101 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 __libc_csu_init
66: 00000000004004a0 42 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 _start
68: 00000000004005d0 16 FUNC GLOBAL DEFAULT 14 main
72: 0000000000400428 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 11 _init

运行结果：

Base constructor

3. 带有一个Virtual Function的Class
   另外两种情况也需要合成defaul constructor：class声明(或继承)一个virtual function、class派生自一个继承串链，其中有一个或更多的virtual base classes。
4. 带有一个Virtual Base Class的Class

后面两种情况，大致都是为了满足多态，需在当前class中新增一个“指向虚表”的指针，这个指针需要在默认构造函数中初始化，virtual function机制或virtual base class机制，后序文章详细介绍。

总结

上述4种情况，会造成编译器必须为未声明constructor的class合成一个default constructor。C++ Standard把那些合成物称为implicit nontrival default constructor。被合成的constructor只能满足编译器（非程序）的需要。
在合成的default constructor中，只有base class subobjects和member class objects会被初始化，所有其他的nonstatic data member都不会被初始化。

常见的两个误解

• 任何class如果没有定义default constructor，就会被合成出一个来。
• 编译器合成出来的default constructor会显示设定“class 内每一个data member的默认值”。

全是假的。