C++初阶：类和对象（三）——拷贝构造函数和运算符重载

原创 已于 2024-03-11 18:56:34 修改
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于 2024-03-10 19:03:11 首次发布

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一、拷贝构造函数

1.概念

2.特性

二、赋值运算符重载

1.运算符重载

2.赋值运算符重载

（1）注意的点：

（2）赋值运算符不允许被重载为全局函数，只能重载为类的成员函数

（3）用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝

一、拷贝构造函数

1.概念

拷贝构造函数是特殊的成员函数，能够使用已经存在的同类对象为新对象进行初始化。

2.特性

  • 拷贝构造函数是构造函数的一种重载形式
  • 拷贝构造函数的参数有且只有一个，且该参数必须为已经存在的同类对象的引用（一般常常使用const进行修饰，因为我们只是希望进行拷贝，而不是对原对象进行修改），如果采用传值调用的形式，编译器会直接报错，因为这将会引发无穷递归（调用拷贝构造函数进行值传递时需要创建一个形参，而形参又要调用拷贝构造函数来获取实参，程序会崩溃）
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
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
	Date(const Date d)
    // 错误写法：编译报错，会引发无穷递归，粗暴点理解这就是规定
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1;
	Date d2(d1);
	return 0;
}
  • 若无显示创建拷贝构造函数，编译器将生成一个默认拷贝构造函数。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& t)" << endl;
	}
private:
	int _hour;
	int _minute;
	int _second;
};
class Date
{
private:
	// 基本类型(内置类型)
	int _year = 2024;
	int _month = 3;
	int _day = 9;
	// 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;
}

        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。

        看下面一串代码，试运行一下并观察结果。

	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;
	}
}

        好家伙，程序崩溃了~看下面的图（主要是因为两个对象的_array指向了同一块内存空间，当s2释放_array指向的空间时，s1的_array指向的内存空间与s2销毁前_array指向的空间一致，导致了该空间重复多次释放）

        由此，我们看到了浅拷贝的弊端之一——在申请资源（开辟空间）时，不同对象内部的指针会指向同一块空间，导致析构时出现异常。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。

        对于上面的代码，可以添加一个拷贝构造函数，这样编译器就不会自动生成了，想要修改s2里面_array的值可以再写一个别的函数来修改。下面的这个函数就属于深拷贝的拷贝构造函数，因为这是我按照所需自行设定的拷贝构造函数。

Stack(const Stack& data)
{
	_capacity = data._capacity;
	_size = data._size;
	_array = nullptr;
}

        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。

二、赋值运算符重载

1.运算符重载

        C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。

         函数名字为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号。

         函数原型：返回值类型 operator操作符(参数列表)

bool operator==(const Date& d1, const Date& d2)
 {
     return d1._year == d2._year
     && d1._month == d2._month
     && d1._day == d2._day;
 }

注意：

  • 不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@（在C/C++中@不是操作符）
  • 重载操作符必须有一个类类型参数
  • 用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不能改变其含义（可以理解为在内置类型之间（不包含自定义类型）或者是作用于内置类型本身的操作符含义不容改变，即该运算符无法重载）
  • 作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this指针
  • .* （使用指针的，不常见，知道即可） ::（域限定操作符）  sizeof  ?:（三目运算符）  .（成员访问） 注意以上5个运算符不能重载。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
//运算符重载
class Date
{
public:
	Date(int year=2024,int month=3,int day=10)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
bool operator==(const Date&d1,const Date&d2)
{
	return d1._year == d2._year
		&& d1._month == d2._month
		&& d1._day == d2._day;
}
int main()
{
	Date d1(2024, 1, 6);
	Date d2;
    //这里需要注意运算符的优先级
	cout << (d1 == d2) << endl;
	return 0;
}

        此时，你会发现编译器报错了，为什么呢？因为Date类对象内部的成员变量是私有的，无法通过外部全局函数来访问。

        那有什么解决办法吗？有的，法一是使用下一节我们将会讲到的友元函数，法二是可以将这个全局函数重载成为一个成员函数封装到类中去。代码如下：

//法一：友元函数
class Date
{
public:
	Date(int year=2024,int month=3,int day=10)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
    //添加一个friend，你是我的朋友了，所以我内部的成员允许你的访问
	friend bool operator==(const Date& d1, const Date& d2);
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

//法二：==运算符作成员函数重载
class Date
{
public:
	Date(int year=2024,int month=3,int day=10)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
    //其实还是有两个操作数的，函数的第一个参数是默认的this指针
    //bool operator==(Date* this,const Date& d)
	bool operator==(const Date& d)
	{
		return _year == d._year
			&& _month == d._month
			&& _day == d._day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

2.赋值运算符重载

（1）注意的点

  • 针对内置类型允许连续赋值的特点，自定义类型的赋值运算符也应该要允许连续赋值
  • 连续赋值有一个前提，就是类型一致性
  • 参数类型应该是类的类型，const Class&（引用类型为最佳，能够优化性能和速度）
  • 返回值类型应该为类的引用，提高运行效率，支持连续赋值
  • 返回的应该是*this（被赋值对象的引用）
class Date
{
public:
	Date(int year=2024,int month=3,int day=10)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void show()
	{
		cout << _year << "年" << _month << "月" << _day << "日" << endl;
	}
	Date& operator=(const Date& d)
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
		return *this;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2024, 1, 6);
	Date d2;
	d1 = d2;
	d1.show();
	return 0;
}

（2）赋值运算符不允许被重载为全局函数，只能重载为类的成员函数

Date& operator=(Date& left, const Date& right)
{
	if (&left != &right)
	{
		left._year = right._year;
		left._month = right._month;
		left._day = right._day;
	}
	return left;
}

        原因：赋值运算符如果不显式实现，编译器会生成一个默认的。此时用户再在类外自己实现 一个全局的赋值运算符重载，就和编译器在类中生成的默认赋值运算符重载冲突了，故赋值运算符重载只能是类的成员函数。

（3）用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
//运算符重载
class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 3, int day = 10)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void show()
	{
		cout << _year << "年" << _month << "月" << _day << "日" << endl;
	}
	//Date& operator=(const Date& d)
	//{
	//	_year = d._year;
	//	_month = d._month;
	//	_day = d._day;
	//	return *this;
	//}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(2024, 1, 6);
	Date d2;
	d1 = d2;
	d1.show();
	return 0;
}

        注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符重载完成赋值（请读者自行实现，但是请记住一点自定义类型的赋值和拷贝构造，归根结底还是对内置类型的赋值和拷贝）。 

        编译是成功的，诶，同拷贝构造函数一样，当只是涉及到值拷贝的时候，编译器自动生成的赋值运算符重载是足够的，但是当涉及到申请资源的时候，就会和拷贝构造函数一样，程序会崩溃啦~

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;
	s2 = s1;
	return 0;
}

3.前置++与后置++重载

int getMonthDay[13] = { 0,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31 };
class Date
{
public:
	Date(int year = 2024, int month = 3, int day = 10)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void show()
	{
		cout << _year << "年" << _month << "月" << _day << "日" << endl;
	}
	bool operator==(const Date& d)
	{
		return _year == d._year
			&& _month == d._month
			&& _day == d._day;
	}
    //由于前置++是得到的直接是+1后的结果，那么直接返回使用前置++对象的引用即可
	Date& operator++()
	{
		if (_day < getMonthDay[_month])
		{
			_day++;
		}
		else
		{
			_month++;
			_day = 1;
		}
		return *this;
	}
    //由于后置++是得到的是+1前的结果，先创建一个临时对象来接收原对象数值，然后对++对象进行自增，最后返回临时对象的值（不能返回引用，否则这将会造成野引用）
	Date operator++(int i)
	{
		Date temp = *this;
        //使用前置自增，因为这里的实现逻辑与前置++一致了
		++*this;
		return temp;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2024, 1, 1);
	Date d2(2024, 3, 1);
    //创建一个新的变量d3来接受后置++的返回值，验证成功性
	Date d3=d1++;
	d1.show();
	d3.show();
	++d2;
	d2.show();
	return 0;
}

        观察上述代码，为了区分前置++与后置++，C++研发者规定了需要在后置++的参数列表中添加一个int型形参，在隐式使用时不需要传入参数，但是如果是显示调用时，需要手动补齐参数（运算符重载不允许使用缺省参数），下面的截图是前置++，你可以在（）随便写一个值使其成为后置++。

        在下一节中，我将会通过日期类的实现来进一步地体现已有的类成员函数。

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