C++ 11: 不可拷贝(noncopyable)类，以及boost::noncopyable介绍

最新推荐文章于 2024-01-10 18:16:07 发布

zzhongcy

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分类专栏： boost C++ 11

原文链接：https://fzheng.me/2016/11/20/cpp_noncopyable_class/

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探讨C++中实现不可拷贝类的方法，包括使用boost::noncopyable、声明拷贝函数为私有及C++11的delete关键字。解析为何在含有动态数组成员的类中需要防止拷贝，避免内存泄露和双重释放问题。

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拷贝

拷贝是任何一门编程语言都必不可少的操作。在 C++ 里，拷贝有等号拷贝和构造拷贝之分：

Foo foo, foo2;
Foo foo2 = foo;  // 等号拷贝
Foo foo3(foo);   // 构造拷贝

等号拷贝是显式的，总得有个等号 = 在那才行。构造拷贝是隐式的，除了上面示例代码里那种直接写出构造函数的情况，在使用以值传递作为参数和以值返回的函数时，都会发生构造拷贝：

/// 传入 foo 时，发生了一次实参到形参的构造拷贝
Foo func(Foo foo) {
    Foo foo2;
    // do somthing
    return foo2;
}
/// 返回时，发生了一次 foo2 到返回值的的构造拷贝

类的等号拷贝和构造拷贝都是可以重载的。如果不重载，默认的拷贝模式是对每个类成员依次执行拷贝。

什么时候需要不可拷贝类

考虑一种情况，我们要实现一个含有动态数组成员的类，其中动态数组成员在构造函数中 new 出来，在析构函数中 delete 掉。比如说这样一个矩阵类：

template<typename _T>
class Matrix {
public:
   int w;
   int h;
   _T* data;
   
   // 构造函数
   Matrix(int _w, int _h): w(_w), h(_h){
      data = new  _T[w*h];
   }

   // 析构函数
   ~Matrix() {
       delete [] data;
   }
}

我们在这个类中用两个 int 数 w 和 h 代表矩阵的列数和行数，用一个长度为 w*h 的动态数组 data[] 存储矩阵数据。data 在构造函数中分配内存，在析构函数中释放内存。这里我们没有重载拷贝函数，那么如果拷贝这个类，会发生什么呢？

/// 测试1：等号拷贝
void copy(){
    Matrix<double> m1(3,3);
    Matrix<double> m2(3,3);
    m1 = m2; 
}

/// 测试2：传参和返回中的构造拷贝
template<typename _T>
Matrix<_T> copy(Matrix<_T> cpy) {
    Matrix<_T> ret(3,3); 
    return ret;
}

上面的测试 1 中，我们先构造了 m1 和 m2 两个 Matrix 实例，这意味着他们各自开辟了一块动态内存来存储矩阵数据。然后我们使用 = 将 m2 拷贝给 m1，这时候 m1 的每个成员（w，h，data）都被各自使用 = 运算符拷贝为和 m2 相同的值。m1.data 是个指针，所以就和 m2.data 指向了同一块的内存。于是这里就会出现两个问题：其一，发生拷贝前 m1.data 指向的动态内存区在拷贝后不再拥有指向它的有效指针，无法被释放，于是发生了内存泄露；其二，在 copy() 结束后，m1 和 m2 被销毁，各自调用析构函数，由于他们的 data 指向同一块内存，于是发生了双重释放。

测试 2 中也有类似问题。当调用 copy(Matrix<_T> cpy) 时，形参 cpy 拷贝自实参，而 cpy 会在函数结束时销毁，cpy.data 指向的内存被释放，所以实参的矩阵数据也被销毁了——这显然是我们不愿意看见的。同样的，在返回时，ret 随着函数结束而销毁，返回值因为拷贝自 ret，所以其矩阵数据也被销毁了。

因此，对于像 Matrix 这样的类，我们不希望这种拷贝发生。一个解决办法是重载拷贝函数，每次拷贝就开辟新的动态内存：

Matrix<_T>& operator = (const Matrix<_T>& cpy) {
    w = cpy.w;
    h = cpy.h;
    delete []  data;
    data = new _T[w*h];
    memcpy(data, cpy.data, sizeof(_T)*w*h);
    return *this;
}

Matrix(const Matrix<_T>& cpy):w(cpy.w), h(cpy.h) {
    data = new _T[w*h];
    memcpy(data, cpy.data, sizeof(_T)*w*h);
}

这样做也有不好的地方。频繁开辟动态内存，当数据量很大时（比如图像处理），对程序性能是有影响的。在接口设计的角度考虑，应该把这种拷贝操作以较明显的形式提供给用户，比如禁用等号拷贝，以直接的函数代替 = 操作：

void copyFrom(const Matrix<_T>& cpy) {
    w = cpy.w;
    h = cpy.h;
    delete []  data;
    data = new _T[w*h];
    memcpy(data, cpy.data, sizeof(_T)*w*h);
}

再禁用构造拷贝，只允许用户以引用传递的办法在自定义函数中使用 Matrix 类。

那么，如何禁止拷贝操作呢？

实现不可拷贝类

使用 boost::noncopyable

Boost 作为 C++ 万金油工具箱，在 <boost/noncopyable.hpp> 下提供了不可拷贝类的实现，使用起来也非常简单，让自己的类继承自 boost::noncopyable 即可：

class Matrix : boost::noncopyable
{
    // 类实现
}

声明拷贝函数为私有

如果不想用第三方库，自己实现呢？不妨先看一下 Boost 是怎么做的：

private:  // emphasize the following members are private
    noncopyable( const noncopyable& );
    noncopyable& operator=( const noncopyable& );

嗯，直接把拷贝函数声明为私有的不就等于禁用了么，so smart！于是：

template<typename _T>
class Matrix 
{
private:
    Matrix(const Matrix<_T>&);
    Matrix<_T>& operator = (const Matrix<_T>&);
}

C++ 11 下使用 delete 关键字

C++ 11 中为不可拷贝类提供了更简单的实现方法，使用 delete 关键字即可：

template<typename _T>
class Matrix
{
public:
Matrix(const Matrix<_T>&) = delete;
Matrix<_T>& operator = (const Matrix<_T>&) = delete;
}

其他

关于类似 Matrix 矩阵类的实现，更高级的做法是像智能指针一样封装其内部数据，用内部计数器来确定动态分配的成员是否要释放掉，不过这是另外一个问题了。

boost::noncopyable比较简单, 主要用于单例的情况.

通常情况下, 要写一个单例类就要在类的声明把它们的构造函数, 赋值函数, 析构函数, 复制构造函数隐藏到private或者protected之中, 每个类都这么做麻烦.

有noncopyable类, 只要让单例类直接继承noncopyable.
class noncopyable的基本思想是把构造函数和析构函数设置protected权限，这样子类可以调用，但是外面的类不能调用，那么当子类需要定义构造函数的时候不至于通不过编译。但是最关键的是noncopyable把复制构造函数和复制赋值函数做成了private，这就意味着除非子类定义自己的copy构造和赋值函数，否则在子类没有定义的情况下，外面的调用者是不能够通过赋值和copy构造等手段来产生一个新的子类对象的。

private: // emphasize the following members are private
noncopyable( const noncopyable& );
const noncopyable& operator=( const noncopyable& );


#ifndef BOOST_NONCOPYABLE_HPP_INCLUDED
#define BOOST_NONCOPYABLE_HPP_INCLUDED

namespace boost {

//  Private copy constructor and copy assignment ensure classes derived from
//  class noncopyable cannot be copied.

//  Contributed by Dave Abrahams

namespace noncopyable_  // protection from unintended ADL
{
  class noncopyable
  {
   protected:
      noncopyable() {}
      ~noncopyable() {}
   private:  // emphasize the following members are private
      noncopyable( const noncopyable& );
      const noncopyable& operator=( const noncopyable& );
  };
}

typedef noncopyable_::noncopyable noncopyable;

} // namespace boost

#endif  // BOOST_NONCOPYABLE_HPP_INCLUDED


#include "tfun.h"

class myclass: public boost::noncopyable
{
public:
    myclass(){};
    myclass(int i){};
};

int main()
{
    myclass cl1();
    myclass cl2(1);

    // myclass cl3(cl1);    // error
    // myclass cl4(cl2);    // error

    return 0;
}