【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

发布于 2024-05-31 12:42:12

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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

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

    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。

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。

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？

// 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;
}

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：

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

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)

    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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原始发表：2024-05-30，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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