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  • C++拷贝构造函数详解

    一. 什么是拷贝构造函数

    首先对于普通类型的对象来说,它们之间的复制是很简单的,例如:

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. int a = 100;  
    2. int b = a;   


    而类对象与普通对象不同,类对象内部结构一般较为复杂,存在各种成员变量。
    下面看一个类对象拷贝的简单例子。

     

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. #include <iostream>  
    2. using namespace std;  
    3.   
    4. class CExample {  
    5. private:  
    6.      int a;  
    7. public:  
    8.       //构造函数  
    9.      CExample(int b)  
    10.      { a = b;}  
    11.   
    12.       //一般函数  
    13.      void Show ()  
    14.      {  
    15.         cout<<a<<endl;  
    16.       }  
    17. };  
    18.   
    19. int main()  
    20. {  
    21.      CExample A(100);  
    22.      CExample B = A; //注意这里的对象初始化要调用拷贝构造函数,而非赋值  
    23.       B.Show ();  
    24.      return 0;  
    25. }  

     

    运行程序,屏幕输出100。从以上代码的运行结果可以看出,系统为对象 B 分配了内存并完成了与对象 A 的复制过程。就类对象而言,相同类型的类对象是通过拷贝构造函数来完成整个复制过程的。

    下面举例说明拷贝构造函数的工作过程。

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. #include <iostream>  
    2. using namespace std;  
    3.   
    4. class CExample {  
    5. private:  
    6.     int a;  
    7. public:  
    8.     //构造函数  
    9.     CExample(int b)  
    10.     { a = b;}  
    11.       
    12.     //拷贝构造函数  
    13.     CExample(const CExample& C)  
    14.     {  
    15.         a = C.a;  
    16.     }  
    17.   
    18.     //一般函数  
    19.     void Show ()  
    20.     {  
    21.         cout<<a<<endl;  
    22.     }  
    23. };  
    24.   
    25. int main()  
    26. {  
    27.     CExample A(100);  
    28.     CExample B = A; // CExample B(A); 也是一样的  
    29.      B.Show ();  
    30.     return 0;  
    31. }   


    CExample(const CExample& C) 就是我们自定义的拷贝构造函数。可见,拷贝构造函数是一种特殊的构造函数,函数的名称必须和类名称一致,它必须的一个参数是本类型的一个引用变量

     

     

    二. 拷贝构造函数的调用时机

    在C++中,下面三种对象需要调用拷贝构造函数!
    1. 对象以值传递的方式传入函数参数

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class CExample   
    2. {  
    3. private:  
    4.  int a;  
    5.   
    6. public:  
    7.  //构造函数  
    8.  CExample(int b)  
    9.  {   
    10.   a = b;  
    11.   cout<<"creat: "<<a<<endl;  
    12.  }  
    13.   
    14.  //拷贝构造  
    15.  CExample(const CExample& C)  
    16.  {  
    17.   a = C.a;  
    18.   cout<<"copy"<<endl;  
    19.  }  
    20.    
    21.  //析构函数  
    22.  ~CExample()  
    23.  {  
    24.   cout<< "delete: "<<a<<endl;  
    25.  }  
    26.   
    27.      void Show ()  
    28.  {  
    29.          cout<<a<<endl;  
    30.      }  
    31. };  
    32.   
    33. //全局函数,传入的是对象  
    34. void g_Fun(CExample C)  
    35. {  
    36.  cout<<"test"<<endl;  
    37. }  
    38.   
    39. int main()  
    40. {  
    41.  CExample test(1);  
    42.  //传入对象  
    43.  g_Fun(test);  
    44.   
    45.  return 0;  
    46. }  


    调用g_Fun()时,会产生以下几个重要步骤:

    (1).test对象传入形参时,会先会产生一个临时变量,就叫 C 吧。
    (2).然后调用拷贝构造函数把test的值给C。 整个这两个步骤有点像:CExample C(test);
    (3).等g_Fun()执行完后, 析构掉 C 对象。

     

    2. 对象以值传递的方式从函数返回

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class CExample   
    2. {  
    3. private:  
    4.  int a;  
    5.   
    6. public:  
    7.  //构造函数  
    8.  CExample(int b)  
    9.  {   
    10.   a = b;  
    11.  }  
    12.   
    13.  //拷贝构造  
    14.  CExample(const CExample& C)  
    15.  {  
    16.   a = C.a;  
    17.   cout<<"copy"<<endl;  
    18.  }  
    19.   
    20.      void Show ()  
    21.      {  
    22.          cout<<a<<endl;  
    23.      }  
    24. };  
    25.   
    26. //全局函数  
    27. CExample g_Fun()  
    28. {  
    29.  CExample temp(0);  
    30.  return temp;  
    31. }  
    32.   
    33. int main()  
    34. {  
    35.  g_Fun();  
    36.  return 0;  
    37. }  


    当g_Fun()函数执行到return时,会产生以下几个重要步骤:

    (1). 先会产生一个临时变量,就叫XXXX吧。
    (2). 然后调用拷贝构造函数把temp的值给XXXX。整个这两个步骤有点像:CExample XXXX(temp);
    (3). 在函数执行到最后先析构temp局部变量。
    (4). 等g_Fun()执行完后再析构掉XXXX对象。

     

    3. 对象需要通过另外一个对象进行初始化;

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. CExample A(100);  
    2. CExample B = A;   
    3. // CExample B(A);   

     

    后两句都会调用拷贝构造函数。

     

    三. 浅拷贝和深拷贝

    1. 默认拷贝构造函数

        很多时候在我们都不知道拷贝构造函数的情况下,传递对象给函数参数或者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”的数据成员的值对“新对象”的数据成员一一进行赋值,它一般具有以下形式:

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. Rect::Rect(const Rect& r)  
    2. {  
    3.     width = r.width;  
    4.     height = r.height;  
    5. }  

     
        当然,以上代码不用我们编写,编译器会为我们自动生成。但是如果认为这样就可以解决对象的复制问题,那就错了,让我们来考虑以下一段代码:

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class Rect  
    2. {  
    3. public:  
    4.     Rect()      // 构造函数,计数器加1  
    5.     {  
    6.         count++;  
    7.     }  
    8.     ~Rect()     // 析构函数,计数器减1  
    9.     {  
    10.         count--;  
    11.     }  
    12.     static int getCount()       // 返回计数器的值  
    13.     {  
    14.         return count;  
    15.     }  
    16. private:  
    17.     int width;  
    18.     int height;  
    19.     static int count;       // 一静态成员做为计数器  
    20. };  
    21.   
    22. int Rect::count = 0;        // 初始化计数器  
    23.   
    24. int main()  
    25. {  
    26.     Rect rect1;  
    27.     cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;  
    28.   
    29.     Rect rect2(rect1);   // 使用rect1复制rect2,此时应该有两个对象  
    30.      cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;  
    31.   
    32.     return 0;  
    33. }  

     

      这段代码对前面的类,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:

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class Rect  
    2. {  
    3. public:  
    4.     Rect()      // 构造函数,计数器加1  
    5.     {  
    6.         count++;  
    7.     }  
    8.     Rect(const Rect& r)   // 拷贝构造函数  
    9.     {  
    10.         width = r.width;  
    11.         height = r.height;  
    12.         count++;          // 计数器加1  
    13.     }  
    14.     ~Rect()     // 析构函数,计数器减1  
    15.     {  
    16.         count--;  
    17.     }  
    18.     static int getCount()   // 返回计数器的值  
    19.     {  
    20.         return count;  
    21.     }  
    22. private:  
    23.     int width;  
    24.     int height;  
    25.     static int count;       // 一静态成员做为计数器  
    26. };  

     

    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:

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class Rect  
    2. {  
    3. public:  
    4.     Rect()      // 构造函数,p指向堆中分配的一空间  
    5.     {  
    6.         p = new int(100);  
    7.     }  
    8.     ~Rect()     // 析构函数,释放动态分配的空间  
    9.     {  
    10.         if(p != NULL)  
    11.         {  
    12.             delete p;  
    13.         }  
    14.     }  
    15. private:  
    16.     int width;  
    17.     int height;  
    18.     int *p;     // 一指针成员  
    19. };  
    20.   
    21. int main()  
    22. {  
    23.     Rect rect1;  
    24.     Rect rect2(rect1);   // 复制对象  
    25.     return 0;  
    26. }  

     

        在这段代码运行结束之前,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:

        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:

     

     

        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:

     

    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”。


    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:

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class Rect  
    2. {  
    3. public:  
    4.     Rect()      // 构造函数,p指向堆中分配的一空间  
    5.     {  
    6.         p = new int(100);  
    7.     }  
    8.     Rect(const Rect& r)  
    9.     {  
    10.         width = r.width;  
    11.         height = r.height;  
    12.         p = new int;    // 为新对象重新动态分配空间  
    13.         *p = *(r.p);  
    14.     }  
    15.     ~Rect()     // 析构函数,释放动态分配的空间  
    16.     {  
    17.         if(p != NULL)  
    18.         {  
    19.             delete p;  
    20.         }  
    21.     }  
    22. private:  
    23.     int width;  
    24.     int height;  
    25.     int *p;     // 一指针成员  
    26. };  

     

    此时,在完成对象的复制后,内存的一个大致情况如下:

     

    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”。

     


    3. 防止默认拷贝发生

        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——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。

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. // 防止按值传递  
    2. class CExample   
    3. {  
    4. private:  
    5.     int a;  
    6.   
    7. public:  
    8.     //构造函数  
    9.     CExample(int b)  
    10.     {   
    11.         a = b;  
    12.         cout<<"creat: "<<a<<endl;  
    13.     }  
    14.   
    15. private:  
    16.     //拷贝构造,只是声明  
    17.     CExample(const CExample& C);  
    18.   
    19. public:  
    20.     ~CExample()  
    21.     {  
    22.         cout<< "delete: "<<a<<endl;  
    23.     }  
    24.   
    25.     void Show ()  
    26.     {  
    27.         cout<<a<<endl;  
    28.     }  
    29. };  
    30.   
    31. //全局函数  
    32. void g_Fun(CExample C)  
    33. {  
    34.     cout<<"test"<<endl;  
    35. }  
    36.   
    37. int main()  
    38. {  
    39.     CExample test(1);  
    40.     //g_Fun(test); 按值传递将出错  
    41.       
    42.     return 0;  
    43. }   

     

     

    四. 拷贝构造函数的几个细节

    1. 拷贝构造函数里能调用private成员变量吗?
    解答:
    这个问题是在网上见的,当时一下子有点晕。其时从名子我们就知道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。

     

    2. 以下函数哪个是拷贝构造函数,为什么?

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. X::X(const X&);      
    2. X::X(X);      
    3. X::X(X&, int a=1);      
    4. 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.

     

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. X::X(const X&);  //是拷贝构造函数      
    2. X::X(X&, int=1); //是拷贝构造函数     
    3. X::X(X&, int a=1, int b=2); //当然也是拷贝构造函数  

     

     

    3. 一个类中可以存在多于一个的拷贝构造函数吗?
    解答:
    类中可以存在超过一个拷贝构造函数。

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class X {   
    2. public:         
    3.   X(const X&);      // const 的拷贝构造  
    4.   X(X&);            // 非const的拷贝构造  
    5. };  


    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.

     

     

    [c-sharp] view plaincopy
     
    1. class X {      
    2. public:  
    3.   X();      
    4.   X(X&);  
    5. };      
    6.   
    7. const X cx;      
    8. 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。

     

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