C++ Copy Control笔记（1）：Copy, Assign, and Destroy

Edenlia

已于 2023-01-09 11:25:25 修改

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文章标签： c++

于 2023-01-04 12:31:41 首次发布

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什么是Copy Control

在C++中，我们可以对类自定义拷贝构造器(copy constructor), 移动构造器(move constructor), 拷贝赋值运算符(copy-assignment operator)，移动赋值运算符(move-assignment operator), 析构器(destructor)等方法。我们将这些方法统称为Copy Control

拷贝构造器（The Copy Constructor）

C++的每一个类都有一个拷贝构造器用于构造对象，其参数为同类型另一个对象的引用，这个参数几乎都是const的

class Foo {
public:
 Foo(); // default constructor
 Foo(const Foo&); // copy constructor
 // ...
};

合成拷贝构造器（The Synthesized Copy Constructor）

如果我们不自己定义一个Copy Constructor，那么编译器会自动生成一个合成的(Synthesized) Copy Constructor，与默认构造器不同的是，即使我们定义了其他构造器，编译器还是会自动生成Copy Constructor。

合成的拷贝构造器会递归调用成员函数的合成构造器，但是它无法直接拷贝数组。

eg. 合成的拷贝构造器与下面代码展示的拷贝构造器相同

class Sales_data {
public:
 // other members and constructors as before
 // declaration equivalent to the synthesized copy constructor
 Sales_data(const Sales_data&);
private:

 std::string bookNo; int units_sold = 0; double revenue = 0.0;
};
// equivalent to the copy constructor that would be synthesized for Sales_data
Sales_data::Sales_data(const Sales_data &orig):
 bookNo(orig.bookNo), // uses the string copy constructor
 units_sold(orig.units_sold), // copies orig.units_sold
 revenue(orig.revenue) // copies orig.revenue
 { } // empty body

拷贝初始化（Copy Initialization）

C++中变量的初始化分为拷贝初始化(Copy Initialization)和直接初始化(Direct Initialzation), 显式的使用构造器进行的初始化为直接初始化，使用=运算符进行的初始化为拷贝初始化。

eg.

string dots(10, '.'); // direct initialization
string s(dots); // direct initialization
string s2 = dots; // copy initialization
string null_book = "9-999-99999-9"; // copy initialization
string nines = string(100, '9'); // copy initialization

使用拷贝初始化时一般会直接调用拷贝构造器(*如果类拥有移动构造器，则在拷贝初始化时会使用移动构造器)

此外，拷贝初始化还会在以下场景中被使用

在function中传入非引用对象(nonreference object type)作为参数

在function中将非引用对象作为参数返回

大括号初始化数组中的元素或是聚合类的成员

*有些类还会在类分配内存时使用拷贝初始化

拷贝初始化的限制(Constraints on Copy Initialization)

在C++中，我们无法隐式的使用类创造的显式构造器

vector<int> v1(10); // ok: direct initialization
vector<int> v2 = 10; // error: constructor that takes a size is explicit
void f(vector<int>); // f's parameter is copy initialized
f(10); // error: can't use an explicit constructor to copy an argument
f(vector<int>(10)); // ok: directly construct a temporary vector from an int

因此在例子中，v2无法成功初始化

*在进行拷贝初始化时，编译器可以选择使用直接构造对象从而跳过拷贝或移动构造器

eg.

string null_book = "9-999-99999-9"; // copy initialization
// this sentence can be translated to sentence below within the compiler
string null_book("9-999-99999-9"); // compiler omits the copy

然而，即使编译器选择跳过拷贝或移动构造器，此拷贝或移动构造器还是必须存在并可以访问(eg. not private)

拷贝赋值运算符（The Copy-Assignment Operator）

在C++中，正如类控制着对象是如何被创建的，它同时也控制着对象是如何被赋值的。

Sales_data trans, accum;
trans = accum; // uses the Sales_data copy-assignment operator

同样的，如果类没有定义一个赋值运算符，编译器会自动生成一个合成的运算符

重载运算符（Overloaded Operators）

在C++中，我们可以重载一个类中的运算符，例如operator+, operator==, operator=等等

eg. 重载拷贝运算符

class Foo {
public:
 Foo& operator=(const Foo&); // assignment operator
 // ...
};

合成的拷贝赋值运算符（The Synthesized Copy-Assignment Operator）

与Copy Constructor类似，合成的拷贝赋值会将递归调用成员变量的拷贝赋值函数，最终将一个类对象的引用返回给左边的变量

eg.

// equivalent to the synthesized copy-assignment operator
Sales_data&
Sales_data::operator=(const Sales_data &rhs)
{
 bookNo = rhs.bookNo; // calls the string::operator=
 units_sold = rhs.units_sold; // uses the built-in int assignment
 revenue = rhs.revenue; // uses the built-in double assignment
 return *this; // return a reference to this object
}

析构器（The Destructor）

不同于Java等语言拥有自己的垃圾回收机制，C++需要使用者自己释放创造的对象中使用的内存。在每一个C++类中，都有一个析构函数(Destructor)，其命名为~<objectname>

*不同于传统指针(ordinary pointer)，C++中的智能指针(smart pointer)会在销毁阶段自动清理占用的内存空间

析构器的调用

C++对象会在以下情况下被销毁

变量会在超出运行范围时被销毁

一个对象成员对象会在它被销毁时销毁

容器中的对象(无论是array或是库容器)会在容器被销毁时销毁

动态分配的指针会在调用delete运算符时被销毁

临时对象会在超出表达式范围时被销毁

由此可见对象的销毁一般是自动的，因此大部分时间我们无需担心对象什么时候销毁，只需要注意销毁时如何释放内存即可

合成的析构器（The Synthesized Destructor）

同理，若不自定义析构函数，C++会自动生成一个合成的析构函数，合成的析构函数不对成员进行任何资源释放

class Sales_data {
public:
 // no work to do other than destroying the members, which happens automatically
 ~Sales_data() { }
 // other members as before
};

The Rule of Three/Five

对于类的拷贝构造器，拷贝赋值运算符，析构器，我们定义了一些规则以便开发者快速理解自己什么时候需要它们。

需要析构器的类需要拷贝构造器和拷贝赋值运算符

一个类是否需要析构器一般较为明显

eg. 如果一个类中有指针类型成员，它肯定需要析构器对分配的内存进行释放，那么如果这个类没有相应的拷贝构造器，那么进行拷贝过后指针类型成员会被直接复制，因此会有多个对象的指针指向同一块内存，由于这些对象都会进行销毁，delete <pointer> 将会被调用多次，释放已经释放的内存，会使程序报错，并且这个错误是未定义的。

需要拷贝构造器的类需要拷贝赋值运算符，反之同理

比较好理解就不解释了

Using = default

我们可以使用=default显式的告诉编译器对类使用合成的Copy Control成员

class Sales_data {
public:
 // copy control; use defaults
 Sales_data() = default; Sales_data(const Sales_data&) = default; 
 Sales_data& operator=(const Sales_data &); ~Sales_data() = default;
 // other members as before
};
Sales_data& Sales_data::operator=(const Sales_data&) =
default;

合成的function是作为inline function存在的，如果我们不想让这个合成的成员为一个inline function，我们就可以把它设置为=default

避免拷贝的方法（Prevent Copies）

有时我们可能不想让一个类的对象被复制，我们有两种方法可以避免类的复制

定义方法=delete

我们可以显式的定义一个方法=delete，通过定义copy control function=delete，我们就可以避免这个类的复制

eg.

struct NoDtor {
 NoDtor() = default; // use the synthesized default constructor
 ~NoDtor() = delete; // we can't destroy objects of type NoDtor
};
NoDtor nd; // error: NoDtor destructor is deleted
NoDtor *p = new NoDtor(); // ok: but we can't delete p
delete p; // error: NoDtor destructor is deleted

*由于一个类一定会在销毁时调用析构函数，因此我们不能定义类的析构函数=delete

使合成的Copy Control 为deleted

在一些情况下，编译器会自动合成copy control member as deleted

例如将一个函数设为private，这样这个函数在类之外就无法被调用，因此就会被编译器设置为deleted

eg. UE的Noncopyable类型，将拷贝构造器和拷贝复制运算符设置为了private

/**
 * utility template for a class that should not be copyable.
 * Derive from this class to make your class non-copyable
 */
class FNoncopyable
{
protected:
    // ensure the class cannot be constructed directly
    FNoncopyable() {}
    // the class should not be used polymorphically
    ~FNoncopyable() {}
private:
    FNoncopyable(const FNoncopyable&);
    FNoncopyable& operator=(const FNoncopyable&);
};

*在C++ Primer中，作者推荐使用=delete而不是private来实现noncopyable