【C++修行之道】类和对象（三）拷贝构造函数
走在努力路上的自己 2024-07-18 16:35:02 阅读 68
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一、 概念
二、特征
正确的拷贝构造函数写法：
拷贝函数的另一种写法
三、若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。
四、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贝了，还需要自己显式实现吗？
深拷贝的写法：
五、拷贝构造函数典型调用场景：
六、总结：
一、 概念
在现实生活中，可能存在一个与你一样的自己，我们称其为双胞胎。
那在创建对象时，可否创建一个与已存在对象一某一样的新对象呢？
拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰)，在用已存在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。
二、特征
拷贝构造函数也是特殊的成员函数，其特征如下：
拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。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按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。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贝了，还需要自己显式实现吗？当然像日期类这样的类是没必要的。那么下面的类呢？验证一下试试？拷贝构造函数典型调用场景：
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
<code>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
{
// this->_year = d._year;
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
Date(Date& d)// 错误写法： 它不能用于从常量对象或临时对象进行拷贝构造
{
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
Date(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;
// 拷贝构造：用同类型的对象拷贝初始化
Date d2(d1);
return 0;
}
正确的拷贝构造函数写法：
Date(const Date& d) // 正确写法
{
// this->_year = d._year;
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
这是正确的拷贝构造函数写法。它接受一个对Date类型的常量引用作为参数，这意味着它可以用于从常量对象、非常量对象甚至是临时对象进行拷贝构造。由于它的灵活性，这是最常用的拷贝构造函数定义方式。
Date(Date& d)
{
_year = d._year;
_month = d._month;
_day = d._day;
}
不能接收常量对象：这个构造函数只接受非常量引用（Date&），这意味着你不能使用它来拷贝一个常量对象。如果试图这样做，编译器会报错，因为常量对象不能被非常量引用所绑定。不能接收临时对象：在C++中，临时对象（也称为右值）经常出现在表达式中，例如函数返回值或者类型转换的结果。由于这个拷贝构造函数不接受右值引用或常量引用，因此它不能用于拷贝这些临时对象。发生错误操作时没有报错：赋值反了
<code> Date(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;
}
这个构造函数是错误的，会引发无穷递归。原因在于，当试图用这个构造函数创建一个Date对象时，它会尝试以值传递的方式接收一个Date对象作为参数。为了构造这个参数对象d，又需要调用拷贝构造函数，这会导致无限递归调用，最终耗尽栈空间并导致程序崩溃。
<code>class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
/*Date(Date& d)
{
d._year = _year;
d._month = _month;
d._day = _day;
}*/
// Date d3(d2);
//Date(const Date& d)
//{
//// this->_year = d._year;
//_year = d._year;
//_month = d._month;
//_day = d._day;
//}
Date(Date* d)
{
_year = d->_year;
_month = d->_month;
_day = d->_day;
}
void Print()
{
cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}
private:
// 给缺省值
int _year = 1;
int _month = 1;
int _day = 1;
};
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
Stack(size_t capacity = 3)
{
cout << "Stack(size_t capacity = 3)" << endl;
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
if (NULL == _array)
{
perror("malloc申请空间失败!!!");
return;
}
_capacity = capacity;
_size = 0;
}
// Stack st2 = st1;
Stack(const Stack& st)
{
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * st._capacity);
if (NULL == _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(DataType data)
{
// CheckCapacity();
_array[_size] = data;
_size++;
}
bool Empty()
{
return _size == 0;
}
DataType Top()
{
return _array[_size - 1];
}
void Pop()
{
--_size;
}
// 其他方法...
~Stack()
{
cout << "~Stack()" << endl;
if (_array)
{
free(_array);
_array = NULL;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
}
private:
DataType* _array;
int _capacity;
int _size;
};
拷贝函数的另一种写法
int main()
{
Date d2(2024, 4, 9);
// 下面这两种写法是等价的
Date d3(d2);
Date d4 = d2; // 这也是拷贝构造
d2.Print();
d3.Print();
//func(d2);
/*Date d3(&d2);
d3.Print();*/
return 0;
}
三、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按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。
<code>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;
}
在上述代码中，Date 类并没有显式定义拷贝构造函数。当代码中尝试通过已有的 Date 对象 d1 来拷贝构造一个新的 Date 对象 d2 时，由于没有找到用户定义的拷贝构造函数，编译器会自动为 Date 类生成一个默认的拷贝构造函数。
这个默认生成的拷贝构造函数会完成以下任务：
对于基本数据类型成员：直接拷贝其值。在 Date 类中，_year、_month 和 _day 这三个整型成员变量会直接被赋值，即新对象 d2 的这些成员会获得与 d1 相同的值。对于自定义类型成员：调用该类型的拷贝构造函数。在 Date 类中，_t 是 Time 类型的成员变量。当默认拷贝构造函数被调用时，它会进一步调用 Time 类的拷贝构造函数来初始化新对象 d2 中的 _t 成员。这就是为什么在上述代码中，即使没有显式编写拷贝操作，仍然可以看到 Time 类的拷贝构造函数被调用的输出。
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。
四、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贝了，还需要自己显式实现吗？
尽管编译器生成的默认拷贝构造函数可以完成字节序的值拷贝，但在某些情况下，仍然需要自己显式实现拷贝构造函数。这主要是因为默认拷贝构造函数执行的是浅拷贝，它会拷贝对象的所有成员变量，但如果对象中包含指针或动态分配的资源（如使用 new 或 malloc 分配的内存），浅拷贝可能会导致问题。
当然像日期类这样的类是没必要的。那么下面的类呢？验证一下试试？
<code>// 这里会发现下面的程序会崩溃掉？这里就需要我们以后讲的深拷贝去解决。
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;
}
<code>Stack s2(s1);
这里，试图用s1来初始化s2。由于没有为Stack类提供自定义的拷贝构造函数，编译器会使用默认的拷贝构造函数。这个默认的拷贝构造函数将s1的_array指针值直接拷贝给s2的_array，这意味着s1和s2的_array成员现在指向同一块内存地址。当s1和s2的生命周期结束时，它们的析构函数都会被调用，并试图释放同一块内存，这会导致未定义行为，通常是程序崩溃，因为同一块内存被释放了两次（double free）。
注意：类中如果没有涉及资源申请时，拷贝构造函数是否写都可以；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。
深拷贝的写法：
<code>class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
/*Date(Date& d)
{
d._year = _year;
d._month = _month;
d._day = _day;
}*/
// Date d3(d2);
//Date(const Date& d)
//{
//// this->_year = d._year;
//_year = d._year;
//_month = d._month;
//_day = d._day;
//}
Date(Date* d)
{
_year = d->_year;
_month = d->_month;
_day = d->_day;
}
void Print()
{
cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}
private:
// 给缺省值
int _year = 1;
int _month = 1;
int _day = 1;
};
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
Stack(size_t capacity = 3)
{
cout << "Stack(size_t capacity = 3)" << endl;
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
if (NULL == _array)
{
perror("malloc申请空间失败!!!");
return;
}
_capacity = capacity;
_size = 0;
}
// Stack st2 = st1;
Stack(const Stack& st)
{
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * st._capacity);
if (NULL == _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(DataType data)
{
// CheckCapacity();
_array[_size] = data;
_size++;
}
bool Empty()
{
return _size == 0;
}
DataType Top()
{
return _array[_size - 1];
}
void Pop()
{
--_size;
}
// 其他方法...
~Stack()
{
cout << "~Stack()" << endl;
if (_array)
{
free(_array);
_array = NULL;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
}
private:
DataType* _array;
int _capacity;
int _size;
};
void func(Date& d)
{
d.Print();
}
class MyQueue
{
private:
Stack _st1;
Stack _st2;
int _size = 0;
};
int main()
{
Date d2(2024, 4, 9);
Date d4 = d2;
d4.Print();
Stack st1(10);
st1.Push(1);
st1.Push(1);
st1.Push(1);
Stack st2 = st1;
st2.Push(2);
st2.Push(2);
while (!st2.Empty())
{
cout << st2.Top() << " ";
st2.Pop();
}
cout << endl;
while (!st1.Empty())
{
cout << st1.Top() << " ";
st1.Pop();
}
cout << endl;
MyQueue q1;
MyQueue q2(q1);
return 0;
}
拷贝构造函数创建的对象：为新对象分配足够的内存空间来存储栈中的元素。内存的大小是根据原始对象的容量（_capacity）来计算的。使用memcpy函数将原始对象栈中的元素复制到新分配的内存中。将新对象的_size和_capacity设置为与原始对象相同的值。 MyQueue类中的成员变量：每个MyQueue对象都包含两个Stack对象，因此当q1和q2销毁时，它们的四个Stack成员变量（q1._st1, q1._st2, q2._st1, q2._st2）也会被销毁，每个Stack成员的析构函数都会被调用。这里增加了4次析构函数的调用。有一点需要注意：如果MyQueue类没有定义拷贝构造函数，并且默认使用了浅拷贝（即只拷贝成员变量的值，而不是它们所指向的内容），那么q2中的_st1和_st2实际上只是q1中对应成员的简单复制（指针或引用的复制）。在这种情况下，析构函数的调用次数可能会少于6次，因为多个对象可能共享相同的资源。但在上述代码中，我们假设MyQueue的拷贝构造函数进行了深拷贝，即创建了Stack对象的独立副本，因此每个Stack对象都有自己的生命周期，并在结束时调用析构函数。
五、拷贝构造函数典型调用场景：
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
<code>class Date
{
public:
Date(int year, int month, 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;
};
Date Test(Date d)
{
Date temp(d);
return temp;
}
int main()
{
Date d1(2022, 1, 13);
Test(d1);
return 0;
}
构造函数 Date(int year, int month, int day)
<code> Date(int year, int month, int day)
{
cout << "Date(int,int,int):" << this << endl;
}
拷贝构造函数 Date(const Date& d)
当创建一个已存在Date对象的副本时会调用它。同样，当这个构造函数被调用时，会打印一条消息和当前对象的地址。
Date()
~Date()
{
cout << "~Date():" << this << endl;
}
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。
六、总结：
今天就先到这了！！！
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