C++拷贝构造函数解析

曾经终败给现在 2022-06-02 09:22 274阅读 0赞

# C++拷贝构造函数详解 #

*  C拷贝构造函数详解
    
     *  一 什么是拷贝构造函数
     *  二 拷贝构造函数的调用时机
        
         *  对象以值传递的方式传入函数参数
         *  对象以值传递的方式从函数返回
         *  对象需要通过另外一个对象进行初始化
     *  三 浅拷贝和深拷贝
        
         *  默认拷贝构造函数
         *  浅拷贝
         *  深拷贝
         *  防止默认拷贝发生
     *  四 拷贝构造函数的几个细节
        
         *  拷贝构造函数里能调用private成员变量吗
         *  以下函数哪个是拷贝构造函数为什么
         *  一个类中可以存在多于一个的拷贝构造函数吗

## 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：

int a = 100;  
    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。

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。

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 ###

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 ###

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 ###

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：

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：

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：

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：

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：  
![这里写图片描述][SouthEast]  
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：  
![这里写图片描述][SouthEast 1]  
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：

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：

![这里写图片描述][SouthEast 2]  
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。

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? ###

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. 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。

class X {   
        public:         
          X(const X&);      // const 的拷贝构造 
          X(X&);            // 非const的拷贝构造 
        };

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。

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[SouthEast 2]: /images/20220602/1d588f8b100e4aa68428eac17fa56558.png