C++ —— 浅拷贝和深拷贝

引言

先看一段带有拷贝构造函数的示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

class Car{
public:
    string c_brand;
    float c_acceleration;

    Car() {
        c_brand.clear();
        c_acceleration = 0.0;
        cout << "Car constructor" << endl;
    }

    Car(const Car &c) {
        c_brand = c.c_brand;
        c_acceleration = c.c_acceleration;
        cout << "Car copy constructor" << endl;
    }

    ~Car() {cout << "Car destructor" << endl;}

    void show() {cout << "Brand: " << c_brand << ", Acceleration: " << c_acceleration << endl;}
};

int main() {
    Car c1;
    c1.c_brand = "Toyota";
    c1.c_acceleration = 10.0;
    Car c2 = c1;
    c2.show();
    
    return 0;
}

现在这个拷贝构造函数和编译器提供的拷贝构造函数功能是一样的，唯一的不同就是多了一行打印信息。运行结果如下：

Car constructor
Car copy constructor
Brand: Toyota, Acceleration: 10
Car destructor
Car destructor

目前，Car类里面的成员都是普通变量，用的是栈内存，不存在浅拷贝的问题。

浅拷贝

给Car类增加一个指针成员c_ptr，计划使用堆内存。示例代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;

class Car{
public:
    string c_brand;
    float c_acceleration;
    int* c_ptr; // 添加的指针成员变量

    Car() {
        c_brand.clear();
        c_acceleration = 0.0;
        c_ptr = nullptr; // 初始化指针为空
        cout << "Car constructor" << endl;
    }

    Car(const Car &c) {
        c_brand = c.c_brand;
        c_acceleration = c.c_acceleration;
        c_ptr = c.c_ptr; // 直接拷贝指针，这在大多数情况下是不安全的
        cout << "Car copy constructor" << endl;
    }

    ~Car() {
        delete c_ptr; c_ptr = nullptr;
        // delete 一个空指针 nullptr 在 C++ 中是安全的，因此不会产生运行时错误。
        // 在释放后，将 c_ptr 设置为 nullptr，防止后续操作使用悬空指针。
        cout << "Car destructor" << endl;
    }

    void show() {cout << "Brand: " << c_brand 
                      << ", Acceleration: " << c_acceleration 
                      << ", c_ptr: " << c_ptr 
                      << ", *c_ptr: " << *c_ptr << endl;
    }
};

int main() {
    Car c1;
    c1.c_brand = "Toyota";
    c1.c_acceleration = 10.0;
    Car c2(c1);
    c2.show();
    
    return 0;
}

运行结果如下：

Car constructor
Car copy constructor
Segmentation fault (core dumped)

运行程序会报错，原因在于：对空指针解引用是非法的。注释掉对应代码：

    void show() {cout << "Brand: " << c_brand 
                      << ", Acceleration: " << c_acceleration 
                      /*<< ", c_ptr: " << c_ptr 
                      << ", *c_ptr: " << *c_ptr */<< endl;
    }

运行结果如下：

Car constructor
Car copy constructor
Brand: Toyota, Acceleration: 10
Car destructor
Car destructor

给c.c_ptr赋值，并取消注释：

int main() {
    Car c1;
    c1.c_brand = "Toyota";
    c1.c_acceleration = 10.0;
    c1.c_ptr = new int(5);
    Car c2(c1);
    c2.show();
    
    return 0;
}

运行结果如下：

Car constructor
Car copy constructor
Brand: Toyota, Acceleration: 10, c_ptr: 0x55656a210ec0, *c_ptr: 5
Car destructor
free(): double free detected in tcache 2
Aborted (core dumped)

报错的原因在于，第二次调用析构函数时，再次释放了同一块内存。只有一个对象销毁成功了，由于另一个对象在销毁的时候操作了野指针，所以程序崩溃。
在目前这个程序中，浅拷贝造成了程序的崩溃，还引起了堆区数据的混乱。
把指针A的值直接赋值给指针B，那么A和B的指向是同一块内存，这就是浅拷贝。通过一个指针改变内存中的数据，另一个指针获取的数据肯定也会改变；其中一个指针释放了内存，另一个指针就成了野指针，调用析构函数释放野指针，程序会崩溃。

深拷贝

指针A和指针B指向不同的内存，把指针A管理的内存中的数据拷贝到指针B管理的内存中。拷贝后，各自管理各自的内存，不会有任何冲突。
编译器提供的拷贝构造函数是浅拷贝，深拷贝的代码如下：

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

class Car{
public:
    string c_brand;
    float c_acceleration;
    int* c_ptr; // 添加的指针成员变量

    Car() {
        c_brand.clear();
        c_acceleration = 0.0;
        c_ptr = nullptr; // 初始化指针为空
        cout << "Car constructor" << endl;
    }

    Car(const Car &c) {
        c_brand = c.c_brand;
        c_acceleration = c.c_acceleration;
        c_ptr = new int; // 分配内存
        // *c_ptr = *(c.c_ptr); // 拷贝数据
        memcpy(c_ptr, c.c_ptr, sizeof(int)); // 两种拷贝数据的方式均可
        cout << "Car copy constructor" << endl;
    }

    ~Car() {
        delete c_ptr; c_ptr = nullptr;
        cout << "Car destructor" << endl;
    }

    void show() {cout << "Brand: " << c_brand 
                      << ", Acceleration: " << c_acceleration 
                      << ", c_ptr: " << c_ptr 
                      << ", *c_ptr: " << *c_ptr << endl;
    }
};

int main() {
    Car c1;
    c1.c_brand = "AUDI";
    c1.c_acceleration = 5.0;
    c1.c_ptr = new int(66);
    c1.show();
    Car c2(c1);
    *c2.c_ptr = 888;
    c2.show();
    c1.show();
    
    return 0;
}

运行效果如下：

Car constructor
Brand: AUDI, Acceleration: 5, c_ptr: 0x55afe2c0eec0, *c_ptr: 66
Car copy constructor
Brand: AUDI, Acceleration: 5, c_ptr: 0x55afe2c0eee0, *c_ptr: 888
Brand: AUDI, Acceleration: 5, c_ptr: 0x55afe2c0eec0, *c_ptr: 66
Car destructor
Car destructor

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