C++ 语言构造函数和 `= default`

本是古典何须时尚 2022-09-05 12:46 191阅读 0赞

#  C++ 语言构造函数和 `= default` #

每个类都分别定义了它的对象被初始化的方式，类通过一个或几个特殊的成员函数来控制其对象的初始化过程，这些函数叫做构造函数 (constructor)。构造函数的任务是初始化类对象的数据成员，无论何时只要类的对象被创建，就会执行构造函数。

**构造函数的名字和类名相同，构造函数没有返回类型，构造函数也有一个 (可能为空的) 参数列表和一个 (可能为空的) 函数体。类可以包含多个构造函数，不同的构造函数之间必须在参数数量或参数类型上有所区别。构造函数不能被声明成 `const` 的。当我们创建类的一个 `const` 对象时，直到构造函数完成初始化过程，对象才能真正取得其`常量`属性。构造函数在 `const` 对象的构造过程中可以向其写值。**

构造函数 (constructor) 用丁初始化对象的一种特殊的成员函数，构造函数应该给每个数据成员都赋一个合适的初始值。

## 1. 合成的默认构造函数 ##

我们的 `Sales` 类并没有定义任何构造函数，可是之前使用了 `Sales` 对象的程序仍然可以正确地编译和运行。

Sales total;  // 保存当前求和结果的变量
    Sales trans;  // 保存下一条交易数据的变量

我们没有为这些对象提供初始值，因此我们知道它们执行了默认初始化。类通过一个特殊的构造函数来控制默认初始化过程，这个函数叫做默认构造函数 (default constructor) - 默认构造函数无须任何实参。如果我们的类没有显式地定义构造函数，那么编译器就会为我们隐式地定义一个默认构造函数。

编译器创建的构造函数又被称为合成的默认构造函数 (synthesized default constructor)，对于大多数类来说，这个合成的默认构造函数将按照如下规则初始化类的数据成员：

*  如果存在类内的初始值，用它来初始化成员。
 *  否则，默认初始化该成员。

因为 `Sales` 为 `sold_num` 和 `revenue` 提供了初始值，所以合成的默认构造函数将使用这也值来初始化对应成员，同时，它把 `book_no` 默认初始化成一个空字符串。

## 2. 某些类不能依赖于合成的默认构造函数 ##

合成的默认构造函数只适合非常简单的类，比如现在定义的这个 `Sales` 版本。对于一个普通的类来说，必须定义它自己的默认构造函数。**合成默认构造函数 (synthesized default constructor) 对于没有显式地定义任何构造函数的类，编译器为其创建 (合成) 的默认构造函数。该构造函数检查类的数据成员，如果提供了类内初始值，就用它执行初始化操作；否则就对数据成员执行默认初始化。**

**默认构造函数 (default constructor) 是当没有提供任何实参时使用的构造函数。**

第一个原因是编译器只有在发现类不包含任何构造函数的情况下才会替我们生成一个默认的构造函数。一旦我们定义了一些其他的构造函数，那么除非我们再定义一个默认的构造函数，否则类将没有默认构造函数。如果一个类在某种情况下需要控制对象初始化，那么该类很可能在所有情况下都需要控制。**只有当类没有声明任何构造函数时，编译器才会自动地生成默认构造函数。**

第二个原因是对于某些类来说，合成的默认构造函数可能执行错误的操作。如果定义在块中的内置类型或复合类型 (比如数组和指针) 的对象被默认初始化，则它们的值将是未定义的。该准则同样适用于默认初始化的内置类型成员。含有内置类型或复合类型成员的类应该在类的内部初始化这些成员，或者定义一个自己的默认构造函数。否则，用户在创建类的对象时就可能得到未定义的值。**如果类包含有内置类型或者复合类型的成员，则只有当这些成员全都被赋予了类内的初始值时，这个类才适合于使用合成的默认构造函数。**

第三个原因是有的时候编译器不能为某些类合成默认的构造函数。如果类中包含一个其他类类型的成员且这个成员的类型没有默认构造函数，那么编译器将无法初始化该成员。对于这样的类来说，我们必须自定义默认构造函数，否则该类将没有可用的默认构造函数。

## 3. 定义 Sales 的构造函数 ##

对于我们的 `Sales` 类来说，我们将使用下面的参数定义 4 个不同的构造函数：

*  一个 `istream &`，从中读取一条交易信息。
 *  一个 `const string &`，表示 ISBN 编号。一个 `unsigned int` 表示售出的图书数量。一个 `double` 表示图书的售出价格。
 *  一个 `const string &`，表示 ISBN 编号，编译器将赋予其他成员默认值。
 *  一个空参数列表 (即默认构造函数)，既然我们已经定义了其他构造函数，那么也必须定义一个默认构造函数。

struct Sales {
    	Sales() = default;
    	Sales(const std::string &s) : book_no(s) {}
    	Sales(const std::string &s, unsigned int n, double p) :
    		book_no(s), sold_num(n), revenue(p*n) {}
    	Sales(std::istream &);
    
    	std::string isbn() const { return book_no; }
    	Sales &combine(const Sales &);
    	double avg_price() const;
    
    	std::string book_no;
    	unsigned int sold_num = 0;
    	double revenue = 0.0;
    };

## 4. `= default` 的含义 ##

默认构造函数：

Sales() = default;

因为该构造函数不接受任何实参，所以它是一个默认构造函数。我们定义这个构造函数的目的仅仅是因为我们既需要其他形式的构造函数，也需要默认的构造函数。我们希望这个函数的作用完全等同于之前使用的合成默认构造函数。

在 C++11 新标准中，如果我们需要默认的行为，那么可以通过在参数列表后面写上 `= default` 来要求编译器生成构造函数。其中 `= default` 既可以和声明一起出现在类的内部，也可以作为定义出现在类的外部。和其他函数一样，如果 `= default` 在类的内部，则默认构造函数是内联的；如果它在类的外部，则该成员默认情况下不是内联的。

上面的默认构造函数之所以对 `Sales` 有效，是因为我们为内置类型的数据成员提供了初始值。如果你的编译器不支持类内初始值，那么你的默认构造函数就应该使用构造函数初始值列表来初始化类的每个成员。

`=default` 是一种语法形式，位于类内部默认构造函数声明语句的参数列表之后，要求编译器生成构造函数，而不管类是否已经有了其他构造函数。

## 5. 构造函数初始值列表 ##

类中定义的另外两个构造函数：

Sales(const std::string &s) : book_no(s) {}
    	Sales(const std::string &s, unsigned int n, double p) :
    		book_no(s), sold_num(n), revenue(p*n) {}

这两个定义中出现了新的部分，即冒号以及冒号和花括号之间的代码，其中花括号定义了 (空的) 函数体。我们把新岀现的部分称为构造函数初始值列表 (constructor initialize list)，它负责为新创建的对象的一个或几个数据成员赋初值。构造函数初始值是成员名字的一个列表，每个名字后面紧跟括号括起来的 (或者在花括号内的) 成员初始值。不同成员的初 始化通过逗号分隔开来。

含有三个参数的构造函数分别使用它的前两个参数初始化成员 `book_no` 和 `sold_num`，`revenue` 的初始值则通过将售出图书总数和每本书单价相乘计算得到。

只有一个 `string` 类型参数的构造函数使用这个 `string` 对象初始化 `book_no`，对于 `sold_num` 和 `revenue` 则没有显式地初始化。当某个数据成员被构造函数初始值列表忽略时：它将以与合成默认构造函数相同的方式隐式初始化。在此例中，这样的成员使用类内初始值初始化，因此只接受一个 `string` 参数的构造函数等价于

// 与上面定义的那个构造函数效果相同
    Sales(const std::string &s) :
    	book_no(s), sold_num(0), revenue(0) {}

通常情况下，构造函数使用类内初始值不失为一种好的选择，因为只要这样的初始值存在我们就能确保为成员赋予了一个正确的值。如果你的编译器不支持类内初始值，则所有构造函数都应该显式地初始化每个内置类型的成员。

构造函数不应该轻易覆盖掉类内的初始值，除非新赋的值与原值不同。如果你不能使用类内初始值，则所有构造函数都应该显式地初始化每个内置类型的成员。

在上面的两个构造函数中函数体都是空的。这是因为这些构造函数的唯一目的就是为数据成员赋初值，一旦没有其他任务需要执行，函数体也就为空了。

**构造函数初始值列表 (constructor initializer list) 说明一个类的数据成员的初始值，在构造函数体执行之前首先用初始值列表中的值初始化数据成员。未经初始值列表初始化的成员将被默认初始化。**

## 6. 在类的外部定义构造函数 ##

与其他几个构造函数不同，以 `istream` 为参数的构造函数需要执行一些实际的操作。 在它的函数体内，调用了 `read` 函数以给数据成员赋以初值：

Sales::Sales(std::istream &is)
    {
    	// read 函数的作用是从 is 中读取一条交易信息，然后存入 this 对象中
    	read(is, *this);
    }

构造函数没有返回类型，所以上述定义从我们指定的函数名字开始。和其他成员函数一样，当我们在类的外部定义构造函数时，必须指明该构造函数是哪个类的成员。因此，`Sales: :Sales` 的含义是我们定义 `Sales` 类的成员，它的名字是 `Sales`。又因为该成员的名字和类名相同，所以它是一个构造函数。

**这个构造函数没有构造函数初始值列表，或者讲得更准确一点，它的构造函数初始值列表是空的。尽管构造函数初始值列表是空的，但是由于执行了构造函数体，所以对象的成员仍然能被初始化。没有出现在构造函数初始值列表中的成员将通过相应的类内初始值 (如果存在的话) 初始化，或者执行默认初始化。对于 `Sales` 来说，这意味着一旦函数开始执行，则 `book_no` 将被初始化成空 `string` 对象，而 `sold_num` 和 `revenue` 将是 0。**

为了更好地理解调用函数 `read` 的意义，要特别注意 `read` 的第二个参数是一个 `Sales` 对象的引用。使用 `this` 来把对象当成一个整体访问，而非直接访问对象的某个成员。在此例中，我们使用 `*this` 将 `this` 对象作为实参传递给 `read` 函数。

## 7. 拷贝、赋值和析构 (Copy, Assignment, and Destruction) ##

我们初始化变量以及以值的方式传递或返回一个对象时对象会被拷贝。当我们使用了赋值运算符时会发生对象的赋值操作。当对象不再存在时执行销毁的操作，一个局部对象会在创建它的块结束时被销毁，当 `vector` 对象 (或者数组) 销毁时存储在其中的对象也会被销毁。

如果我们不主动定义这些操作，则编译器将替我们合成它们。一般来说，编译器生成的版本将对对象的每个成员执行拷贝、赋值和销毁操作。

当编译器执行如下赋值语句时，

total = trans;  // 处理下一本书的信息

它的行为与下面的代码相同：

// Sales 的默认赋值操作等价于：
    total.book_no = trans.book_no;
    total.sold_num = trans.sold_num;
    total.revenue = trans.revenue;

### 7.1 某些类不能依赖于合成的版本 ###

尽管编译器能替我们合成拷贝、赋值和销毁的操作，但是必须要清楚的一点是，对于某些类来说合成的版本无法正常工作。当类需要分配类对象之外的资源时，合成的版本常常会失效。管理动态内存的类通常不能依赖于上述操作的合成版本。很多需要动态内存的类能使用 `vector` 对象或者 `string` 对象管理必要的存储空间。使用 `vector` 或者 `string` 的类能避免分配和释放内存带来的复杂性。

如果类包含 `vector` 或者 `string` 成员，则其拷贝、赋值和销毁的合成版本能够正常工作。当我们对含有 `vector` 成员的对象执行拷贝或者赋值操作时，`vector` 类会设法拷贝或者赋值成员中的元素。当这样的对象被销毁时，将销毁 `vector` 对象，也就是依次销毁 `vector` 中的每一个元素。

## References ##

(美) Stanley B. Lippman, (美) Josée Lajoie, (美) Barbara E. Moo 著, 王刚, 杨巨峰 译. C++ Primer 中文版\[M\]. 第 5 版. 电子工业出版社, 2013.  
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