C++拷贝构造函数详解

 

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。

 

 

#include <iostream>
using namespace std;

class CExample {
private:
    　int a;
public:
      //构造函数
    　CExample(int b)
    　{ a = b;}

      //一般函数
    　void Show ()
    　{
        cout<<a<<endl;
      }
};

int main()
{
    　CExample A(100);
    　CExample B = A; //注意这里的对象初始化要调用拷贝构造函数，而非赋值
    　 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。

下面举例说明拷贝构造函数的工作过程。

 

#include <iostream>
using namespace std;

class CExample {
private:
    int a;
public:
    //构造函数
    CExample(int b)
    { a = b;}

    //拷贝构造函数
    CExample(const CExample& C)
    {
        a = C.a;
    }

    //一般函数
    void Show ()
    {
        cout<<a<<endl;
    }
};

int main()
{
    CExample A(100);
    CExample B = A; // CExample B(A); 也是一样的
     B.Show ();
    return 0;
}

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

在C++中，下面三种对象需要调用拷贝构造函数！
1. 对象以值传递的方式传入函数参数

 

class CExample
{
private:
 int a;

public:
 //构造函数
 CExample(int b)
 {
  a = b;
  cout<<"creat: "<<a<<endl;
 }

 //拷贝构造
 CExample(const CExample& C)
 {
  a = C.a;
  cout<<"copy"<<endl;
 }

 //析构函数
 ~CExample()
 {
  cout<< "delete: "<<a<<endl;
 }

     void Show ()
 {
         cout<<a<<endl;
     }
};

//全局函数，传入的是对象
void g_Fun(CExample C)
{
 cout<<"test"<<endl;
}

int main()
{
 CExample test(1);
 //传入对象
 g_Fun(test);

 return 0;
}

调用g_Fun()时，会产生以下几个重要步骤：
(1).test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test的值给C。 整个这两个步骤有点像：CExample C(test);
(3).等g_Fun()执行完后, 析构掉 C 对象。

 

2. 对象以值传递的方式从函数返回

 

class CExample
{
private:
 int a;

public:
 //构造函数
 CExample(int b)
 {
  a = b;
 }

 //拷贝构造
 CExample(const CExample& C)
 {
  a = C.a;
  cout<<"copy"<<endl;
 }

     void Show ()
     {
         cout<<a<<endl;
     }
};

//全局函数
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。

 

3. 对象需要通过另外一个对象进行初始化；

CExample A(100);
CExample B = A;
// CExample B(A);

 

后两句都会调用拷贝构造函数。

 

三. 浅拷贝和深拷贝

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。但是如果认为这样就可以解决对象的复制问题，那就错了，让我们来考虑以下一段代码：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 构造函数，计数器加1
    {
        count++;
    }
    ~Rect()     // 析构函数，计数器减1
    {
        count--;
    }
    static int getCount()       // 返回计数器的值
    {
        return count;
    }
private:
    int width;
    int height;
    static int count;       // 一静态成员做为计数器
};

int Rect::count = 0;        // 初始化计数器

int main()
{
    Rect rect1;
    cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;

    Rect rect2(rect1);   // 使用rect1复制rect2，此时应该有两个对象
     cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;

    return 0;
}

 

　　这段代码对前面的类，加入了一个静态成员，目的是进行计数。在主函数中，首先创建对象rect1，输出此时的对象个数，然后使用rect1复制出对象rect2，再输出此时的对象个数，按照理解，此时应该有两个对象存在，但实际程序运行时，输出的都是1，反应出只有1个对象。此外，在销毁对象时，由于会调用销毁两个对象，类的析构函数会调用两次，此时的计数器将变为负数。

说白了，就是拷贝构造函数没有处理静态数据成员。

出现这些问题最根本就在于在复制对象时，计数器没有递增，我们重新编写拷贝构造函数，如下：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 构造函数，计数器加1
    {
        count++;
    }
    Rect(const Rect& r)   // 拷贝构造函数
    {
        width = r.width;
        height = r.height;
        count++;          // 计数器加1
    }
    ~Rect()     // 析构函数，计数器减1
    {
        count--;
    }
    static int getCount()   // 返回计数器的值
    {
        return count;
    }
private:
    int width;
    int height;
    static int count;       // 一静态成员做为计数器
};

 

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：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 构造函数，p指向堆中分配的一空间
    {
        p = new int(100);
    }
    ~Rect()     // 析构函数，释放动态分配的空间
    {
        if(p != NULL)
        {
            delete p;
        }
    }
private:
    int width;
    int height;
    int *p;     // 一指针成员
};

int main()
{
    Rect rect1;
    Rect rect2(rect1);   // 复制对象
    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：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 构造函数，p指向堆中分配的一空间
    {
        p = new int(100);
    }
    Rect(const Rect& r)
    {
        width = r.width;
        height = r.height;
        p = new int;    // 为新对象重新动态分配空间
        *p = *(r.p);
    }
    ~Rect()     // 析构函数，释放动态分配的空间
    {
        if(p != NULL)
        {
            delete p;
        }
    }
private:
    int width;
    int height;
    int *p;     // 一指针成员
};

 

此时，在完成对象的复制后，内存的一个大致情况如下：

 

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。

 

// 防止按值传递
class CExample
{
private:
    int a;

public:
    //构造函数
    CExample(int b)
    {
        a = b;
        cout<<"creat: "<<a<<endl;
    }

private:
    //拷贝构造，只是声明
    CExample(const CExample& C);

public:
    ~CExample()
    {
        cout<< "delete: "<<a<<endl;
    }

    void Show ()
    {
        cout<<a<<endl;
    }
};

//全局函数
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;
}

 

 

四. 拷贝构造函数的几个细节

1. 拷贝构造函数里能调用private成员变量吗?
解答：这个问题是在网上见的，当时一下子有点晕。其时从名子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。

 

2. 以下函数哪个是拷贝构造函数,为什么?

 

X::X(const X&);
X::X(X);
X::X(X&, int a=1);
X::X(X&, int a=1, int b=2);

解答：对于一个类X, 如果一个构造函数的第一个参数是下列之一:
a) X&
b) const X&
c) volatile X&
d) const volatile X&
且没有其他参数或其他参数都有默认值,那么这个函数是拷贝构造函数.

 

 

X::X(const X&);  //是拷贝构造函数
X::X(X&, int=1); //是拷贝构造函数
X::X(X&, int a=1, int b=2); //当然也是拷贝构造函数

 

 

3. 一个类中可以存在多于一个的拷贝构造函数吗?
解答：类中可以存在超过一个拷贝构造函数。

 

class X {
public:
  X(const X&);      // const 的拷贝构造
  X(X&);            // 非const的拷贝构造
};

注意,如果一个类中只存在一个参数为 X& 的拷贝构造函数,那么就不能使用const X或volatile X的对象实行拷贝初始化.

 

 

class X {
public:
  X();
  X(X&);
};

const X cx;
X x = cx;    // error

如果一个类中没有定义拷贝构造函数,那么编译器会自动产生一个默认的拷贝构造函数。
这个默认的参数可能为 X::X(const X&)或 X::X(X&),由编译器根据上下文决定选择哪一个。