2.1 Default Constructor的构造操作

编译器何时会自动产生一个default constructor？编译器自动合成的default constructor将会初始化nonstatic member data？程序设计者什么时候需要显式地提供default constructor？程序设计者显式地提供了default constructor，编译器就不再做什么了吗？那么，到底Default Constructor的构造操作是如何运转的呢，请带着上面的问题走进这篇博文。

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一、Default Constructor在“需要的时候”由编译器产生

标题强调“在需要的时候”default constructor由编译器产生。那么，为什么强调“在需要的时候”？是谁需要？先看下面一段代码：

#include <iostream>

class Foo
{
public:
    int val;
    Foo *pnext;
};

void main()
{
    Foo bar;
    if (bar.val || bar.pnext)
    {
        std::cout << "hello world" << std::endl;
    }

    std::cin.get();
}

在这个例子中，我们常认为，编译器将生成default constructor，val和pnext将会被初始化为0。但运行这段代码，13行代码出现了异常：

Run-Time Check Failure #3 - The variable ‘bar’ is being used without being initialized.

正如所料，虽然我们的程序的语意是要求Foo有一个default constructor，可以将它的两个members初始化为0，但编译器并没有自动生成一个default constructor，更别说初始化它们。上述代码程序设计者没有提供任何constructor，而且编译器也没有合成，但我们程序的语意是需要default constructor的。那么，问题来了：

到底是“谁需要的时候？”
答案是：编译器需要的时候，编译器才会自动合成；而不是程序需要的时候，程序需要的时候是由程序设计者手动编写代码，显然上述例子：编译器不需要，而程序需要的时候，但程序设计者并没有手动提供任何构造函数，因此，异常的发生并不奇怪。

请记住，在编译器需要的时候，编译器才会合成一个default constructor。此外，被合成出来的default constructor只执行编译器所需要的行动。也就是说，即使编译器为上述片段合成了default constructor，那个constructor也不会把val和pnext初始化为0。为了让程序正确的运行，class Foo的程序设计者必须提供一个显式的default constructor，将两个members进行适当地初始化。

也许编译器并没有为上例代码合成default constructor，但C++ Standard已经修改了这种[ARM的说法]说法，虽然行为事实上仍然是相同的：

对于class X，如果没有任何user-declared constructor，那么会有一个default constructor被隐式声明出来……一个隐式被声明出来的default constructor将是一个没用的constructor……

那么，什么情况下implicit default constructor是有用（nontrivial）的呢？

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二、“带有Default Constructor”的Member Class Object

理解标题最简单粗暴的做法就是直接看程序，完整的代码片段如下：

#include <iostream>

class Foo
{
public:
    Foo(){ _x = 0; };
    Foo(int x) :_x(1){}

    int getX() { return _x; }

private:
    int _x;
};

class Bar
{
public:
    Foo foo;
    char* str;
};

void main()
{
    Bar bar;// Bar::bar必须在此处初始化
            // Bar::foo是一个member object，而其class Foo拥有一个default constructor，符合本小节主题

    std::cout << bar.foo.getX() << std::endl; // 输出0

    std::cout << bar.str << std::endl;        // 发生异常

    std::cin.get();
}

在第27行打断点，F10逐语句执行，程序执行到断点处，正常输出0；执行到第29行处异常发生。为什么异常会发生呢？这就引出本节的主题：

如果一个class没有任何的constructor（比如：Bar），但它内含一个member class object（Bar::foo），而后者有default constructor，那么这个class的implicit default constructor就是“nontrivial”（有用的），编译器需要为该class合成一个default constructor，不过该constructor只有在被调用时才会被合成。

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既然有用的default constructor都被合成了，那么为什么Bar::str没有被初始化，编译器任由异常发生？？？这就是需要特别注意的地方：

再次强调，编译器合成的default constructor只满足编译器的需要，不满足程序的需要（str的初始化是程序员的任务，不是编译器的责任）。被合成的default constructor只内含必要的代码（调用Foo的default constructor），而不会完成程序员的任务（初始化Bar::str），因此异常会发生。被合成的default constructor看起来可能会像酱紫：

// Bar 的default constructor可能会被合成酱紫
// 为member object foo调用class Foo的default constructor
inline // 注意是inline
Bar::Bar()
{
    // C++伪码
    foo.Foo::Foo();

    // 注意这里并没有对Bar::str进行初始化操作
}

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假设Bar::str的初始化由程序员完成，像酱紫：

Bar::Bar()
{
    str = 0;
}

虽然程序的需求已经得到满足，但是编译器的需求仍然没得到解决（还需要初始化member object foo），由于default constructor已经被显式地定义出来，因此编译器不会再合成第二次，而是这么做：编译器会在explicit user code（这里是str = 0;）之前安插调用member object的default constructor的代码。酱紫：

// 扩张后的default constructor
// C++伪码
Bar::Bar()
{
    foo.Foo::Foo();// 附加上的compiler code

    str = 0;
}

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如果class Bar内含一个或一个以上的member class object，后者都含有default constructor，而且它们都要求constructor的初始化操作，那么编译器该怎么做呢？如果Bar的设计者没提供default constructor，那么编译器合成一个，并在该constructor体内内含必要代码（调用member class object 的default constructor以完成初始化）。如果Bar的设计者显式地提供了default constructor，那么编译器只需要在default constructor中安插必要的调用member class object的default constructor的代码（按照声明的顺序），并且都在explicit user code之前。

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三、“带有Default Constructor”的Base Class

类似的，如果类A继承自类B，B含有default constructor，A没有任何的constructor，那么编译器会合成一个有用的default constructor，该constructor用以调用基类的default constructor。酱紫由编译器合成的派生类的default constructor和一个“被显式提供的default constructor”没有什么差异，显式提供的default constructor由编译器安插调用基类default constructor的代码。

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四、“带有一个Virtual Function”的Class

另有两种情况，也需要合成default constructor：
1、class声明（或继承）一个virtual function；
2、class派生自一个继承串链，其中有一个或多个virtual base classes。

为什么编译器为带有virtual function的class合成default constructor？在缺乏user声明的constructors的情况下。这是因为，任何带有virtual function的class在编译期间会发生下述行为：

1、 一个virtual table（在cfront中被称为vtbl）会被编译器产生，该虚表存放class中的virtual function的地址。
2、每一个class object，一个额外的“指向虚表的指针”（也就是vptr）会被编译器合成出来，内含相关class 虚表（vtbl）的地址。

请看下面这个类，

class Test
{
public:
    virtual void func();
private:
    int _i;
};

该类的内存布局为：

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为了让虚拟机制发生功效，编译器必须为每一个类或其派生类object的vptr设定初值，放置适当的virtual table地址。对于那些没有声明任何constructors的classes，编译器会为它们合成一个default constructor，以便正确地初始化每一个class object的vptr。如果程序设计者显式地提供过了default constructor呢？哈哈，这个问题都遇到多少次了，编译器在user提供的default constructor中安插必要的代码呗！！！

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五、“带有一个Virtual Base Class”的Class

又成为“钻石继承”，这里不再赘述，见《深度探索C++对象模型》P46

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六、总结

我觉得也没什么好总结的了，因为Lippman的总结字字珠玑，全干货，截图如下：

参考文献：《深度探索C++对象模型》侯捷 译