C++拷贝构造函数

拷贝构造函数详解

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一、什么是拷贝构造函数

首先对于普通类型的对象来说，它们之间的复制是很简单的，例如：

int a=100;
int b=a;

而类对象与普通对象不同，类对象内部结构一般较为复杂，存在各种成员变量。
下面看一个类对象拷贝的简单例子。
例1-1

#include<iostream>
using namespace std;
class CExample
{
private:
    int a;
public:
    //构造函数
    CExample(int b)
    {
        a=b;
        printf("constructor is called\n");
    }
    //拷贝构造函数
    CExample(const CExample & c)
    {
        a=c.a;
        printf("copy constructor is called\n");
    }
    //析构函数
    ~CExample()
    {
        cout<<"destructor is called\n";
    }
    void Show()
    {
        cout<<a<<endl;
    }
};
int main()
{
    CExample A(100);
    CExample B=A;
    B.Show(); 
    return 0;
}

运行程序，屏幕输出100。从以上代码的运行结果可以看出，系统为对象 B 分配了内存并完成了与对象 A 的复制过程。就类对象而言，相同类型的类对象是通过拷贝构造函数来完成整个复制过程的。
在这里插入图片描述
CExample(const CExample& C)　就是我们自定义的拷贝构造函数。可见，拷贝构造函数是一种特殊的构造函数，函数的名称必须和类名称一致，它必须的一个参数是本类型的一个引用变量。

二、拷贝构造函数的调用时机

下面举例说明，类的定义均同例1-1

1. 当函数的参数为类的对象时

例2-1

void g_fun(CExample c)
{
    cout<<"g_func"<<endl;
}
int main()
{
    CExample A(100);
    CExample B=A;
    B.Show(); 
    g_fun(A);
    return 0;
}

调用g_fun()时，会产生以下几个重要步骤：
(1).A对象传入形参时，会先会产生一个临时变量，就叫 C 吧。
(2).然后调用拷贝构造函数把A的值给C。整个这两个步骤有点像：CExample C(A);
(3).等g_fun()执行完后, 析构掉 C 对象。
在这里插入图片描述

2. 函数的返回值是类的对象

例2-2

CExample g_fun()
{
    CExample temp(0);
    return temp;
}
int main()
{  
    g_fun();
    return 0;
}

当g_Fun()函数执行到return时，会产生以下几个重要步骤：
(1). 先会产生一个临时变量，就叫XXXX吧。
(2). 然后调用拷贝构造函数把temp的值给XXXX。整个这两个步骤有点像：CExample XXXX(temp);
(3). 在函数执行到最后先析构temp局部变量。
(4). 等g_fun()执行完后再析构掉XXXX对象。
在这里插入图片描述

3.对象需要通过另外一个对象进行初始化

例2-3

CExample A(100);
CExample B=A;

这里需要说明一下：只有创建的同时直接赋值才会调用拷贝构造函数，正常的赋值语句如：

CExample B(0);
B = A;

并不会调用拷贝构造器

三、浅拷贝与深拷贝

1. 默认拷贝构造函数

很多时候在我们都不知道拷贝构造函数的情况下，传递对象给函数参数或者函数返回对象都能很好的进行，这是因为编译器会给我们自动产生一个拷贝构造函数，这就是“默认拷贝构造函数”，这个构造函数很简单，仅仅使用“老对象”的数据成员的值对“新对象”的数据成员一一进行赋值，它一般具有以下形式：

   Rect::Rect(const Rect& r)
{
    width=r.width;
    height=r.height;
}

当然，以上代码不用我们编写，编译器会为我们自动生成。

2. 浅拷贝

所谓浅拷贝，指的是在对象复制时，只对对象中的数据成员进行简单的赋值，默认拷贝构造函数执行的也是浅拷贝。大多情况下“浅拷贝”已经能很好地工作了，但是一旦对象存在了动态成员，那么浅拷贝就会出问题了，让我们考虑如下一段代码：

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
class Rect
{
public:
    Rect()
    {
     p=new int(100);
    }
   
    ~Rect()
    {
     assert(p!=NULL);
        delete p;
    }
private:
    int width;
    int height;
    int *p;
};
int main()
{
    Rect rect1;
    Rect rect2(rect1);
    return 0;
}

在这段代码运行结束之前，会出现一个运行错误。原因就在于在进行对象复制时，对于动态分配的内容没有进行正确的操作。我们来分析一下：
在运行定义rect1对象后，由于在构造函数中有一个动态分配的语句，因此执行后的内存情况大致如下：
在这里插入图片描述
在使用rect1复制rect2时，由于执行的是浅拷贝，只是将成员的值进行赋值，这时 rect1.p = rect2.p，也即这两个指针指向了堆里的同一个空间，如下图所示：

当然，这不是我们所期望的结果，在销毁对象时，两个对象的析构函数将对同一个内存空间释放两次，这就是错误出现的原因。我们需要的不是两个p有相同的值，而是两个p指向的空间有相同的值，解决办法就是使用“深拷贝”。

3. 深拷贝

在“深拷贝”的情况下，对于对象中动态成员，就不能仅仅简单地赋值了，而应该重新动态分配空间，如上面的例子就应该按照如下的方式进行处理：

#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
class Rect
{
public:
    Rect()
    {
     p=new int(100);
    }
    
    Rect(const Rect& r)
    {
     width=r.width;
        height=r.height;
     p=new int(100);
        *p=*(r.p);
    }
     
    ~Rect()
    {
     assert(p!=NULL);
        delete p;
    }
private:
    int width;
    int height;
    int *p;
};
int main()
{
    Rect rect1;
    Rect rect2(rect1);
    return 0;
}

此时，在完成对象的复制后，内存的一个大致情况如下：
在这里插入图片描述
此时rect1的p和rect2的p各自指向一段内存空间，但它们指向的空间具有相同的内容，这就是所谓的“深拷贝”。

3. 防止默认拷贝发生

通过对对象复制的分析，我们发现对象的复制大多在进行“值传递”时发生，这里有一个小技巧可以防止按值传递——声明一个私有拷贝构造函数。甚至不必去定义这个拷贝构造函数，这样因为拷贝构造函数是私有的，如果用户试图按值传递或函数返回该类对象，将得到一个编译错误，从而可以避免按值传递或返回对象。

class CExample 
{ 
private: 
   int a; 
 
public: 
   //构造函数
   CExample(int b) 
   { 
       a = b; 
       cout<<"creat: "<<a<<endl; 
   } 
 
private: 
   //拷贝构造函数，只是声明
   CExample(const CExample& C); 
 
public: 
   ~CExample() 
   { 
       cout<< "delete: "<<a<<endl; 
   } 
 
   void Show () 
   { 
       cout<<a<<endl; 
   } 
}; 
 
//???? 
void g_Fun(CExample C) 
{ 
   cout<<"test"<<endl; 
} 
 
int main() 
{ 
   CExample test(1); 
   //g_Fun(test);   //按值传递将出错
     
   return 0; 
}

小结：
拷贝有两种：深拷贝，浅拷贝。
当出现类的等号赋值时，会调用拷贝函数，在未定义显示拷贝构造函数的情况下，系统会调用默认的拷贝函数——即浅拷贝，它能够完成成员的一一复制。当数据成员中没有指针时，浅拷贝是可行的。但当数据成员中有指针时，如果采用简单的浅拷贝，则两类中的两个指针将指向同一个地址，当对象快结束时，会调用两次析构函数，而导致指针悬挂现象。所以，这时，必须采用深拷贝。
深拷贝与浅拷贝的区别就在于深拷贝会在堆内存中另外申请空间来储存数据，从而也就解决了指针悬挂的问题。简而言之，当数据成员中有指针时，必须要用深拷贝。

四、拷贝构造函数的几个细节

1.为什么拷贝构造函数必须是引用传递，不能是值传递？
简单的回答是为了防止递归引用。
具体一些可以这么讲：
当一个对象需要以值方式传递时，编译器会生成代码调用它的拷贝构造函数以生成一个复本。如果类A的拷贝构造函数是以值方式传递一个类A对象作为参数的话，当需要调用类A的拷贝构造函数时，需要以值方式传进一个A的对象作为实参；而以值方式传递需要调用类A的拷贝构造函数；结果就是调用类A的拷贝构造函数导致又一次调用类A的拷贝构造函数，这就是一个无限递归。

2.拷贝构造函数里能调用private成员变量吗?
其时从名字我们就知道拷贝构造函数其时就是一个特殊的构造函数，操作的还是自己类的成员变量，所以不受private的限制。
3.一个类中可以存在多于一个的拷贝构造函数吗?
类中可以存在超过一个拷贝构造函数。
4.一个小测试
运行一下下述程序，你能解释各个Destruct都是谁的吗？

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class TEST
{
public:
	TEST();
	TEST(TEST& t);
	~TEST();

	string a;
};

TEST::TEST()
{
	a = "The initional word";
	cout << "Structor " << endl;
}

TEST::TEST(TEST& t)
{
	a = t.a + " has been changed";
	cout << "Copy strctor" << endl;
}
TEST::~TEST()
{
	cout << "Destructor" << endl;
}

TEST func(TEST para)
{
	cout << para.a << endl;
	return para;
}

int main()
{
	TEST temp;
	cout << temp.a << endl;
	TEST temp1 = temp;
	cout << temp1.a << endl;

	TEST temp2;
	temp2 = func(temp);
	cout << temp2.a << endl;
	return 0;
}

运行结果
在这里插入图片描述
第一个structor是TEST temp的
第二个structor是TEST temp2的
第一个copy structor是TEST temp1 = temp赋值时生成的
第二个copy structor是TEST func(TEST para)调用形参时候生成的
第三个copy structor是return para时生成的
（个人理解：这里需要调用拷贝构造函数是因为函数结束后堆栈区将被清空，所以需要拷贝一份数据给主函数，因而调用了拷贝构造函数）

前两个destructor是函数中的，因为函数的作用域到头了
其中第一个是return para的
第二个是TEST func(TEST para)的
那么接下来的后三个就是TEST temp的，TEST temp2的和TEST temp1 = temp的。