C++【对象模型】| 【07】构造、析构、拷贝做了哪些事？

Jxiepc

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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 开发语言

于 2022-05-07 23:05:43 首次发布

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本文深入探讨了C++对象模型，涉及纯虚函数、无继承对象构造、继承体系下的构造、虚拟继承以及对象赋值和析构的语意学。强调了纯虚函数的使用场景，无继承对象构造时的内存管理和抽象数据类型的设计，以及继承和虚拟继承对构造函数的影响。同时，文章指出对象赋值和析构函数的实现细节，包括析构函数的调用顺序和效率考虑。

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文章目录

索引

1、纯虚函数

当一个类如以下设计，有哪些地方需要改进

class Abstract_base {
public:
    virtual ~Abstract_base() = 0;
    virtual void interface() const = 0;
    virtual const char* mumble() const { return _mumble; }

protected:
    char *_mumble;
};

初始化抽象类中的数据成员

当一个类中有纯虚函数，则该类不能有实例；
若该类中有一个数据成员，则它需要一个显示构造来将其初始化，否则其子类无法决定改初值；
此时可以提供一个protected construct；

唯一例外时定义纯虚析构

由于子类析构被扩张以静态方式调用【每一个虚基类】及【上一层基类】的析构，故缺乏上述任何一个都会导致链接失败；

为什么纯虚析构不能被编译器合成出来呢

由于编译器对一个可执行文件采取分离编译模型的设计；如果需要，则需要在链接时找出纯虚析构不存在，在重写激活编译器，赋予一个特殊指令来合成；
【建议】：
不要将一个虚析构设置为纯虚函数

virtual function的设置规格

当一个函数确定需要被后续子类使用并改写时，才将其声明为一个虚函数；
如果将一个（mumble）函数，且不会被后续子类改写的函数设置成虚函数将是没必要的，由于它将会是一个内联函数，如果被经常调用时，而被设置为虚函数
效率将会大打折扣；

虚拟函数中const

虚函数中不使用const；

综上所述，重写设计该类

class Abstract_base {
public:
    virtual ~Abstract_base();			// 改为虚函数
    virtual void interface() = 0;		// 去除const
    const char* mumble() const { return _mumble; }	// 去除virtual

protected:
    Abstract_base(char* pc=0);	// 提供一个构造
    char *_mumble;	
};

2、无继承下的对象构造

typedef struct {
	float x, y, z;
}Point;

Point global;
Point foobar() {
	Point local;
	Point *heap = new Point;
	*heap = local;
	delete heap;
	return local;
}

在C++中上述Point为Plain Ol' Data形式；编译时，会添加无用的默认构造、析构、拷贝构造、拷贝赋值；
C中支持`临时性的定义`，在程序中可多次发生，最后留下一份实例，于BSS中；
而C++中不支持临时性的定义，会被视为完全定义，C++对全局对象都被以初始化过的数据来对待；

2.1 抽象数据类型

class Point {
public:
	Point(float x = 0.0, float y = 0.0, float z = 0.0)
	: _x(x), _y(y), _z(z) {}
private:
	float _x, _y, _z;
};

当定义一个全局的对象时，其初始化将延时到程序启动；
当给类中成员设定初值时，使用explicit initialization list效率较高；但也有以下缺点：
- 只有当类成员为public时，才可用；
- 只能指定常量；
- 初始化的可能性会高些；
explicit initialization list效率将会比inline constructor好很多，特别对于全局对象；

2.2 为继承做准备

class Point {
public:
	Point(float x = 0.0, float y = 0.0)
	: _x(x), _y(y) {}
	virtual float z();
private:
	float _x, _y;
};

当引入一个虚函数，类中将会多一个vptr，且代码会经由编译器变得膨胀：
- 在构造中加入vptr初始化，于基类构造后，程序代码前；
- 合成拷贝构造和拷贝赋值操作符，如果改类被初始化或以一个子类来赋值，将会对vptr进行重新设定；

3、继承体系下的对象构造

构造函数真正伴随着什么？

构造内可能扩充：
- 成员初始化列表中的数据成员初始化操作将会放入构造中；
- 调用类成员的默认构造；
- 若类有vptr，需要设定初值；
- 调用上一层的基类构造，若基类时多重继承下的第二或后续的基类，则this指针必须要被调整；
- 虚基类构造被调用，从左到右，由深到浅；
- 类中的每一个虚基类子对象的偏移位置要在执行期被存取；

class Point {
public:
	Point(float x = 0.0, float y =0.0);
	Point(const Point&);
	Point& operator=(const Point&);
	virtual ~Point();
	virtual float z() { return 0.0; }

protected:
	float _x, _y; 
};

class Line {
	Point _begin, _end;
public:
	Line(float=0.0, float=0.0, float=0.0, float=0.0);
	Line(const Point&, const Poitn&);
	/** 编译器转换
	Line* Line::Line(Line *this, const Point &begin, const Point &end) {
		this->_begin.Point::Point(begin);
		this->_end.Point::Point(end);
		return this;
	}
	*/ 
	draw();
};

当使用Line a创建时，会生成默认构造；而析构将会插入调用两个对象的析构；

4、虚拟继承

class Point3d : public virtual Point {};
class Vertex : virtual public Point {};
class Vertex3d : public Point3d, public Vertex {};
class PVertex : public Vertex3d {};

在这里插入图片描述

Vertex的构造必须要调用Point的构造，而Point3d和Vertex同为Vertex3d的子对象，他们不能对Point调用构造，而是由底层Vertex3d调用；如果在往后则交给Vertex3d来构造；
上述继承体系中，构造函数将会扩充更多内容（bool __most_derived参数），来控制虚基类构造是否要被调用；
例如上述的Point3d、Vertex、Vertex3d压制不调用Point的构造；

Vertex3d* Vertex3d::Vertex3d(Vertex3d *this, bool __most_derived, 
							float x, float y, float z) {
	if(__most_derived != false) 
		this->Point::Point(x, y);
	this->Point3d::Point3d(false, x, y, z);
	this->Vertex::Vertex(false, x, y);
	return this;
}

void test() {
	Point3d origin;	// 即可调用Point构造
}

虚基类构造被调用中，当一个完整的类对象被定义出来时，才会被调用；
如果在某个完整的类的子对象，它就不会被调用；

构造函数的分裂，从而提高程序速度

针对于完整的对象：
	将会调用虚基类构造，设定所有的vptr;
正对于子对象：
	不调用虚基类构造，不设定vptr；

4.1 vptr初始化语意学

当上述每个类都定义一个虚函数size用来传回class的大小；
而在虚函数中，是经由构造中的对象来调用的，作用于该对象；

当一个对象的基类构造被调用时，如何才能保证该对象有适当的虚函数能被调用

如果一个必须在构造中调用，则使用静态方式；

在执行构造时，限制一组虚函数候选名单，该需要决定类中的虚函数名单的关键

通过虚表，vptr；只要控制vptr的初始化和设定操作即可，而该操作由编译器进行；
那么，vptr在构造中该何时被初始化；
- 显然，是在基类构造调用之后，成员初始化之前；

5、对象赋值

当以一个类对象指定给另一个类对象

可以选择以下三种：
- 执行默认行为；
- 提供显示拷贝赋值操作；
- 显示拒绝赋值，将拷贝赋值操作设为private；

可以参考一下内容对于拷贝赋值操作符和拷贝构造函数
C++【对象模型】|【03】拷贝构造函数

拷贝赋值中没有提供类似成员初始化列表，故不能压抑上一层基类的拷贝操作调用；
在该函数中使用类::operator=(rhs);调用基类；

编译器如何在Point3d和Vertex的拷贝赋值中压抑Point的拷贝赋值

该做法不能同构造一样，由于取拷贝赋值的地址是合法的；
做法如下：
	编译器可能为拷贝赋值产生分化函数，来支持类称为most_derived class或中间的base class；

我们尽可能不要允许一个虚基类的拷贝操作，不要再任何虚基类中什么data member；

6、析构语意学

当类中没有定义析构时，其内含的类成员或基类有析构，编译器会自动生成一个；
一般delet操作符，再释放资源前会析构，但如果对象没有析构也无大碍；
若有多层析构函数被调用，那么析构的顺序和构造的顺序是相反的；