拷贝构造函数与赋值操作

重点:包含动态分配成员的类 应提供拷贝构造函数,并重载"="赋值操作符。 

以下讨论中将用到的例子: 
class CExample
{
public:
     CExample(){pBuffer=NULL; nSize=0;}
     ~CExample(){delete pBuffer;}
    void Init(int n){ pBuffer=new char[n]; nSize=n;}
private:
    char *pBuffer; //类的对象中包含指针,指向动态分配的内存资源
    int nSize;
};

这个类的主要特点是包含指向其他资源的指针。 

pBuffer指向堆中分配的一段内存空间。 

一、拷贝构造函数
int main(int argc, char* argv[])
{
     CExample theObjone;
     theObjone.Init40);
    
    //现在需要另一个对象,需要将他初始化称对象一的状态
     CExample theObjtwo=theObjone;
     ...
}

语句"CExample theObjtwo=theObjone;"用theObjone初始化theObjtwo。 

其完成方式是内存拷贝，复制所有成员的值。 

完成后，theObjtwo.pBuffer==theObjone.pBuffer。 

即它们将指向同样的地方，指针虽然复制了，但所指向的空间并没有复制，而是由两个对象共用了。这样不符合要求，对象之间不独立了，并为空间的删除带来隐患。 

所以需要采用必要的手段来避免此类情况。 

回顾以下此语句的具体过程:首先建立对象theObjtwo，并调用其构造函数，然后成员被拷贝。 

可以在构造函数中添加操作来解决指针成员的问题。 

所以C++语法中除了提供缺省形式的构造函数外，还规范了另一种特殊的构造函数：拷贝构造函数，上面的语句中，如果类中定义了拷贝构造函数，这对象建立时，调用的将是拷贝构造函数，在拷贝构造函数中，可以根据传入的变量，复制指针所指向的资源。 

拷贝构造函数的格式为:构造函数名(对象的引用) 

提供了拷贝构造函数后的CExample类定义为: 

class CExample
{
public:
     CExample(){pBuffer=NULL; nSize=0;}
     ~CExample(){delete pBuffer;}
     CExample(const CExample&); //拷贝构造函数
    void Init(int n){ pBuffer=new char[n]; nSize=n;}
private:
    char *pBuffer; //类的对象中包含指针,指向动态分配的内存资源
    int nSize;
};

CExample::CExample(const CExample& RightSides) //拷贝构造函数的定义
{
     nSize=RightSides.nSize; //复制常规成员
     pBuffer=new char[nSize]; //复制指针指向的内容
     memcpy(pBuffer,RightSides.pBuffer,nSize*sizeof(char));
}

这样，定义新对象，并用已有对象初始化新对象时，CExample(const CExample& RightSides)将被调用，而已有对象用别名RightSides传给构造函数，以用来作复制。 

原则上，应该为所有包含动态分配成员的类都提供拷贝构造函数。 

拷贝构造函数的另一种调用。 

当对象直接作为参数传给函数时，函数将建立对象的临时拷贝，这个拷贝过程也将调同拷贝构造函数。 

例如：

BOOL testfunc(CExample obj);

testfunc(theObjone); //对象直接作为参数。

BOOL testfunc(CExample obj)
{
    //针对obj的操作实际上是针对复制后的临时拷贝进行的
}

还有一种情况，也是与临时对象有关的 

当函数中的局部对象被被返回给函数调者时，也将建立此局部对象的一个临时拷贝，拷贝构造函数也将被调用 
CTest func()
{
     CTest theTest;
    return theTest
}

二、赋值符的重载 

下面的代码与上例相似
int main(int argc, char* argv[])
{
     CExample theObjone;
     theObjone.Init(40);
    
     CExample theObjthree;
     theObjthree.Init(60);

    //现在需要一个对象赋值操作,被赋值对象的原内容被清除，并用右边对象的内容填充。
     theObjthree=theObjone;
    return 0;
}
也用到了"="号，但与"一、"中的例子并不同，"一、"的例子中，"="在对象声明语句中，表示初始化。更多时候,这种初始化也可用括号表示。 

例如 CExample theObjone(theObjtwo); 

而本例子中，"="表示赋值操作。将对象theObjone的内容复制到对象theObjthree;，这其中涉及到对象theObjthree原有内容的丢弃，新内容的复制。 

但"="的缺省操作只是将成员变量的值相应复制。旧的值被自然丢弃。 

由于对象内包含指针，将造成不良后果:指针的值被丢弃了，但指针指向的内容并未释放。指针的值被复制了，但指针所指内容并未复制。 


因此，包含动态分配成员的类除提供拷贝构造函数外，还应该考虑重载"="赋值操作符号。 

类定义变为: 

class CExample
{
     ...
     CExample(const CExample&); //拷贝构造函数
     CExample& operator = (const CExample&); //赋值符重载
     ...
};

//赋值操作符重载
CExample & CExample::operator = (const CExample& RightSides)
{
     nSize=RightSides.nSize; //复制常规成员
    char *temp=new char[nSize]; //复制指针指向的内容 
     memcpy(temp,RightSides.pBuffer,nSize*sizeof(char));

    delete []pBuffer; //删除原指针指向内容   (将删除操作放在后面，避免X=X特殊情况下，内容的丢失)
     pBuffer=temp;   //建立新指向
    return *this
}

三、拷贝构造函数使用赋值运算符重载的代码。 

CExample::CExample(const CExample& RightSides)
{
     pBuffer=NULL;
     *this=RightSides     //调用重载后的"="
}

【shosh来说两句】
为了更好地理解拷贝构造函数，我也来说两句：
1、为什么要有拷贝构造函数，它跟构造函数有什么区别？
答：拷贝构造函数其实也是构造函数，只不过它的参数是const的类自身的对象的引用。如果类里面没有指针成员（该指针成员指向动态申请的空间），是没有必要编写拷贝构造函数的。我们知道，如果有一个类CObj，它已经产生了一个对象ObjA，现在又用CObj去创建ObjB，如果程序中使用语句ObjB = ObjA;也就是说直接使用ObjA的数据给ObjB赋值。这对于一般的类，没有任何问题，但是如果CObj里面有个char* pStr的成员，用来存放动态申请的字符串的地址，在ObjA中使用new方法动态申请了内存并让ObjA.pStr指向该申请的空间，在OjbB = OjbA之后，ObjA.pStr和ObjB.pStr将同时指向那片空间，这样到导致了谁也不知道到底该由谁来负责释放那块空间，很有可能导致同一块内存被释放两次。使用拷贝构造函数，先申请ObjA.pStr所指向的空间大小的空间，然后将空间内容拷贝过来，这样就不会同时指向同一块内存，各自有各自申请的内存，各自负责释放各自申请的内存，从而解决了刚才的问题。所以这里的“拷贝”拷贝的是动态申请的空间的内容，而不是类本身的数据。另外注意到，拷贝构造函数的参数是对象的引用，而不是对象的指针。至于为什么要用引用，不能够用指针暂时还没有搞明白，等搞明白了再说。
2、为什么要对=赋值操作符进行重载？
答：接上面的例子，用户在使用语句ObjB = ObjA的时候，或许ObjB的pStr已经指向了动态申请的空间，如果直接简单将其指向的地址覆盖，就会导致内存泄露，所以需要对=赋值操作符进行重载，在重载函数中判断pStr如果已经指向了动态申请的空间，就先将其释放。
3、拷贝构造函数和=赋值操作符重载的关系。
答：从原文的例子中可以看出，=赋值操作符重载比拷贝构造函数做得要多，它除了完成拷贝构造函数所完成的拷贝动态申请的内存的数据之外，还释放了原本自己申请的内存空间。所以原文最后给出的拷贝构造函数的实现可以使用=赋值操作符的重载来完成。
4、拷贝构造函数何时被调用？
   a.对象的直接赋值也会调用拷贝构造函数（既然有了=赋值操作符重载，为什么还要调用拷贝构造函数？）；
   b.函数参数传递只要是按值传递也调用拷贝构造函数；
   c.函数返回只要是按值返回也调用拷贝构造函数。

拷贝构造函数是C++最基础的概念之一，大家自认为对拷贝构造函数了解么？请大家先回答一下三个问题:

1. 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, b=2);

 2. 一个类中可以存在多于一个的拷贝构造函数吗?

3. 写出以下程序段的输出结果, 并说明为什么? 如果你都能回答无误的话，那么你已经对拷贝构造函数有了相当的了解。

#include <iostream></iostream>
#include <string></string>

struct X {
  template<typename T>
  X( T& ) { std::cout << "This is ctor." << std::endl; }

  template<typename T>
    X& operator=( T& ) { std::cout << "This is ctor." << std::endl; }
};

void main() {
  X a(5);
  X b(10.5);
  X c = a;
  c = b;
}

 

解答如下：

1. 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

 2.类中可以存在超过一个拷贝构造函数, 

class X {
public:
  X(const X&);
  X(X&);            // OK
};

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.

默认拷贝构造函数的行为如下:
 默认的拷贝构造函数执行的顺序与其他用户定义的构造函数相同,执行先父类后子类的构造.
 拷贝构造函数对类中每一个数据成员执行成员拷贝(memberwise Copy)的动作.
 a)如果数据成员为某一个类的实例,那么调用此类的拷贝构造函数.
 b)如果数据成员是一个数组,对数组的每一个执行按位拷贝.
 c)如果数据成员是一个数量,如int,double,那么调用系统内建的赋值运算符对其进行赋值.

 

3.  拷贝构造函数不能由成员函数模版生成. 

struct X {
    template<typename T>
    X( const T& );    // NOT copy ctor, T can't be X

    template<typename T>
    operator=( const T& );  // NOT copy ass't, T can't be X
};

原因很简单, 成员函数模版并不改变语言的规则,而语言的规则说,如果程序需要一个拷贝构造函数而你没有声明它,那么编译器会为你自动生成一个. 所以成员函数模版并不会阻止编译器生成拷贝构造函数, 赋值运算符重载也遵循同样的规则.(参见Effective C++ 3edition, Item45)