【C++】—— 类与对象（三）

4、拷贝构造函数

4.1、初识拷贝构造

  我们要先知道，拷贝构造是一个特殊的构造函数。
  拷贝构造的作用是：用一个自身类的对象来 初始化 当前的对象

  
拷贝构造基本特点：

• 拷贝构造函数是构造函数的一个重载
• 拷贝构造函数的第一个参数必须是自身类类型的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发无穷递归调用。其他任何额外的参数都要有缺省值(默认值)
• C++ 规定自定义类型对象进行拷贝行为必须调用拷贝构造，所以这里自定义类型传值传参和传值返回都会调用拷贝构造完成

  
我们先用 $Date$ 类型来感受一下拷贝构造：

运行结果：

  
拷贝构造的 调用方式 有两种：

• 一种是像上述代码一样类似于构造函数的调用方法：Date d2(d1);
• 另一种是类似赋值的调用：Date d2 = d1;

  

4.1.1、为什么要传引用

• C++ 规定：对自定义类型，传值传参要先调用拷贝构造

class date
{
public:date(int year, int month, int day):_year(year), _month(month), _day(day){}date(const date& d){*this = d;}private:int _year;int _month;int _day;
};void func(const date d)
{cout << "heallo world" << endl;
}int main()
{date d1(2024, 1, 1);func(d1);return 0;
}

  
我们来调试来验证 一下：

对自定义类型，传值传参都会调用拷贝构造函数。

  
  那这样的话，拷贝构造用传值传参会发生什么呢？
  答： 无穷递归

  
  我们通过图来理解一下：

  
  而如果是传引用的话，$d$ 是 $d1$ 的别名，就不会形成新的拷贝构造。

 所以，对于自定义类型，传参都不建议使用传值传参。用传值传参还需要先调用拷贝构造，尤其是当实参特别大时，太费劲了

  为什么传值传参要先调用拷贝构造呢？别急，我们学习完下一个知识点就来回答

  

4.1.2、引用尽量加上 const

  使用引用传参，当函数体不需要改变外面的实参时，尽量都使用 $const$ 引用！

• 因为加上 $const$ 可以保护形参不被改变

  假设，我要写一个判断逻辑，结果 “==” 不小心写成了 “=”。如果没加 $const$，那形参 $d$ 就真被改了，我去给别人拷贝，结果我自己被改了，这合适吗？

Date(Date& d)
{if (d._year = _year){//···}
}

  

• 而且，不使用 $const$ 引用，当传的实参是只读性质时，会造成权限放大，编译不过去。使用了 $const$ ，无论实参是不是只读，都能编过去

  

4.2、深入拷贝构造

拷贝构造的进阶特性：

• 若未显式定义拷贝构造，编译器会自动生成拷贝构造函数。自动生成的拷贝构造对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝（一个字节一个字节的拷贝），对自定义类型成员变量会调用它的拷贝构造
    
• 传值返回会产生一个临时对象，产生临时对象会调用拷贝构造，传引用返回，返回的是返回对象的别名（引用），没有产生拷贝。
    
• 与前面的构造函数和析构函数不同，如果我们没有显式实现，编译器默认生成的拷贝构造会对内置类型进行处理，会对内置类型进行值拷贝/浅拷贝。所谓值拷贝（也叫浅拷贝）就是一个字节一个字节进行拷贝，相当于 $memcpy$函数的功能。

  

4.2.1、为什么要自己实现拷贝构造

  那默认生成的拷贝构造不是挺好的吗，它都给你完成拷贝了，那我们还需要自己写吗？
  
  我们来看下面这种情况：
  现在，我们实现一个栈类，栈类的成员变量都是内置类型，看看编译器生成的拷贝构造能不能完成任务

typedef int STDataType;
class Stack
{
public :Stack(int n = 4){_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);if (nullptr == _a){perror("malloc申请空间失败");return;} _capacity = n;_top = 0;} ~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;free(_a);_a = nullptr;_top = _capacity = 0;}
private:STDataType* _a;size_t _capacity;size_t _top;
};int main()
{Stack st1(10);//两种都行//Stack st2(st1);Stack st2 = st1return 0;
}

我们调试来看一下：

  好像没有问题，$st2$ 是完成了初始化的。
  
  但我们继续往下运行，发现程序崩了

  为什么呢？
  因为编译器 仅仅完成了值拷贝/浅拷贝
  
  对于_$top$ 和 _$capacity$ 来说他们并没有指向什么资源，只进行值拷贝/浅拷贝没有问题
  但对于 _$a$ 来说，虽然他是内置类型，但是 它指向一块开辟的空间。 $st1$ 的 _$a$ 中存放的是指向的块空间的地址，将 $st1$ 中 _$a$ 的值拷贝给 $st2$ 的 _a，此时 $st2$ 的 _$a$ 也存这那块空间的地址。也就是说 $st1$ 和 $st2$ 的 _$a$ 指向同一块空间
  

  我们本来想的是他们指向不同的空间，空间中存放的是不同的数据(虽然现在没放数据)。虽然现在和我们想的有点不一样，但指向同一块空间也不至于让程序崩溃啊
  答案出现在析构函数那。

  $main$ 函数结束，要销毁两个对象，销毁对象前先调用自身析构函数。
  后定义的先析构；$st2$ 调用自身析构，将 _$a$ 指向的空间释放，后 $st1$ 也调用析构，也要对 _$a$ 指向的空间进行释放，但此时空间已经被释放掉了，也就是说 同一块空间被释放了两次，自然程序崩溃了。
  其实，不仅仅是析构两次，它的问题是很多的。比如：在函数内插入一个 1，再在函数外插入一个 2，2 会将 1 给覆盖
  

  现在，我们自己给它加上拷贝构造函数

	Stack(const Stack& st){// 需要对_a指向资源创建同样⼤的资源再拷⻉值_a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * st._capacity);if (nullptr == _a){perror("malloc申请空间失败!!!");return;} memcpy(_a, st._a, sizeof(STDataType) * st._top);_top = st._top;_capacity = st._capacity;}

  

4.2.2、传值返回先调用拷贝构造的原因

  现在，我们可以回答为什么传值传参要先调用拷贝构造了

  想一想，传值传参传的是实参的拷贝，但这拷贝仅仅只是浅拷贝。像是拷贝上面的 $stack$ 类，要是在函数里面将 _$a$ 空间释放了，而你以为是传值传参，里面不影响外面，在外面再次将 _$a$ 指向的空间释放，程序就崩溃了。而 C语言只有浅拷贝，是很坑的
  所以 C++ 规定，传值传参要先调用默认构造函数，在默认构造中实现深拷贝（ _$a$ 指向的空间也拷贝一份），这样就没这些问题啦

  当然，对于自定义类型，函数传参是不建议用传值传参的。毕竟就算是正确拷贝，当拷贝的内容太大，也会占用很大空间，而且效率不高

• 自定义类型传参，尽可能用引用，如果不改变，尽可能加 $const$

  

4.2.3、躺赢的 MyQueue

  当然，也不是所有有指向资源的类都需要自己写拷贝构造，比如 $MyQueue$ 类（用两个栈模拟实现队列）

// 两个Stack实现队列
class MyQueue
{public :
private:Stack pushst;Stack popst;
};
int main()
{MyQueue mq1;MyQueue mq2 = mq1;return 0;
}

  $mq2$ 是正常完成初始化的。
  因为对自定义类型成员，编译器会调用它自身的拷贝构造
  
  虽然MyQueue是躺赢，但这一切都是有 $Stack$ 替他负重前行
  

4.2.4、传值返回与引用返回

• 传值返回会产生一个临时对象调用拷贝构造，传引用返回，返回的是返回对象的别名（引用），没有产生拷贝。

  
  什么意思呢？我们来看看

Stack func()
{Stack st;return st;
}int main()
{Stack ret = func();return 0;
}

  
  像上述代码，调用 $func$ 函数，使用传值返回。返回时，先调用拷贝构造将 $st$ 拷贝到一个临时对象，后再调用拷贝构造将临时对象中的值拷贝到 ret 中。（实际编译器会进行优化，不会真的执行两个拷贝，但从语法层面来讲是会执行两次拷贝的）

  
  为了减少拷贝，我们会使用传引用返回，返回 $st$ 的别名

Stack& func()
{Stack st;return st;
}

  但是这是不对的，st 出函数作用域就销毁了，此时返回的是野引用，类似于野指针的东西

  使用引用返回，一定要确保返回的对象，当函数结束后还在，才能用引用返回

例如下面两种情况：

//情况一
Stack& func()
{static Stack st;return st;
}//情况二
Stack& func(Stack& st)
{st.push(1);st.push(1);st.push(1);return st;
}int main()
{Stack st1;Stack st2 = func(st1);return 0;
}

  
  

4.3、总结

  如果一个构造函数的第一个参数是自身类类型的引用，且任何额外的参数都有默认值，则此构造函数也叫做拷贝构造函数，也就是说拷贝构造是一个特殊的构造函数。
  
拷贝构造的特点：

• 拷贝构造函数是构造函数的一个重载
• 拷贝构造函数的第一个参数必须是自身类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为语法逻辑上会引发 无穷递归 。若有其他参数必须给缺省值
• C++ 规定自定义类型对象进行拷贝行为必须调用拷贝构造，所以这里自定义类型传值传参和传值返回都会调用拷贝构造完成
• 若未显式定义拷贝构造，编译器会自动生成拷贝构造函数。自动生成的拷贝构造对内置类型成员变量会完成值拷贝/浅拷贝（一个字节一个字节的拷贝），对自定义类型成员变量会调用他的拷贝构造
• 像 Date 这样的类成员变量全是内置类型且没有指向什么资源，编译器自动生成的拷贝构造就可以完成需要的拷贝，所以不需要我们显式实现拷贝构造。像 Stack 这样的类，虽然也都是内置类型，但是 _a 指向了资源，编译器自动生成的拷贝构造完成的值拷贝/浅拷贝不符合我们的需求，所以需要我们自己实现深拷贝（对指向的资源也进行拷贝）。像 MyQueue 这样的类型内部主要是自定义类型 $Stack$ 成员，编译器自动生成的拷贝构造会调用 $Stack$ 的拷贝构造，也不需要我们显式实现 $MyQueue$ 的拷贝构造。
• 这里有一个小技巧，如果一个类显式实现了析构函数并释放了资源，那么他就需要写拷贝构造，否则不需要
• 传值返回会产生一个临时对象调用拷贝构造，传值引用返回，返回的对象的别名（引用），没有产生拷贝。但是如果返回对象是一个当前函数局部域的局部对象，函数结束就销毁了，那么使用引用返回是有问题的，这时的引用相当于一个野引用，类似一个野指针一样。传引用返回可以减少拷贝，但是一定要确保返回对象，在当前函数结束后还在，才能用引用返回

  

5、取地址运算符重载

5.1、const 成员函数

当类对象被 $const$ 修饰会发生什么呢？

class Date
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1){_year = year;_month = month;_day = day;} void Print() {cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;}private:int _year;int _month;int _day;
};int main()
{const Date d(2024, 1, 1);d.Print();return 0;
}

  
  d.Print();这句代码，我们知道到调用成员函数要传递地址给 $this$ 指针的，这句代码实际上是d.Print(&d);
  但是 $d$ 的类型是const Date，因此 &$d$ 传递的类型是const Date*
  而 $this$ 指针 的类型是Date* const this（这里 $const$ 修饰的是指针本身，不是对象，可以直接忽略）
  

  很显然，const Date*传给Date*发生了权限放大，编译是无法通过的

  这时要把 $this$指针 的类型变为const Date*
  怎么做呢？要知道 C++ 规定，我们是不能在形参的位置显式写this指针的，这样我们就不能直接通过形参来修改 $this$ 指针

  为此，C++就给了一个偏方：在函数参数列表后面加 $const$
如：

void Print() const
{cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}

  那如果对象是非 const 还能不能调用 $Print$ 呢？

int main()
{Date d1(2024, 7, 5);d1.Print();const Date d2(2024, 8, 5);d2.Print();return 0;
}

  可以的，权限虽然不能放大，但是能缩小

  所以，对于不用修改成员变量的成员函数，建议都加const，原因与引用加const类似

  

5.2、取地址运算符重载

  取地址运算符重载分为普通取地址运算符重载和 $const$ 取地址运算符重载

	Date* operator&(){return this;}const Date* operator&() const{return this;}

注：两个都要写，因为普通对象返回Date*，$const$ 对象要返回const Date*

  取地址运算符重载也是一个默认成员函数，编译器会默认生成，往往不需要我们自己显式实现。
  
  除非你不想让别人取到该对象地址，那你就可以这样写：

	Date* operator&(){return nullptr;}const Date* operator&() const{return nullptr;}