深度解析C++拷贝构造函数

自2003年开始，断断续续用了12年C++，直到这两年做物联网嵌入式开发，感觉对C++的掌握仅有10%左右。
习惯了C#开发，C++倒显得难以下手！今天就一个函数返回问题跟辉月兄弟讨论一番，大有所获，足以解决我们目前80%的问题，感觉对C++的掌握上升到了20%。

背景，现有字节数组ByteArray和字符串String，（不要激动，单片机嵌入式C++很难用起来标准类库）
我们需要实现函数String& ByteArray::ToHex()
其实这是我们在C#上非常常用的函数，把一个字节数组转为字符串，然后别的地方使用或者显示出来。C#原型String ToHex(this Byte[] buf)
这里有一个老大难题：
1，如果ToHex内部栈分配字符串空间，把字节数组填充进去，那么离开ToHex的时候栈回收，对象数据无效
2，如果ToHex内部堆分配空间，字节数组填充，离开ToHex的时候得到指针。但是这样违背了C/C++谁申请谁释放的原则，其它小伙伴使用ToHex的时候可能忘了释放
3，最后只能折中，做成String& ByteArray::ToHex(String& str); 别提多憋屈！最受不了的是，外部分配str的时候，还得考虑数组有多长！这些本来最好由ToHex内部解决的问题。
总之，这个问题就这样折腾了我12年！

知道今天，跟辉月兄弟聊起这个问题，他也有十多年C++历史，用得比我要多一些。他有一段常用代码大概如下：

CString Test()
{
        CString a = "aaaa";
        CString b = "bbbb";
        CString c = a + b;

        return c;
}

按他说法，就这样子写了十多年！
我说c不是栈分配吗？离开的时候会被析构吧，外部怎么可能拿到？他说是哦，从来没有考虑过这个问题。
我们敏锐的察觉到，C++一定可以实现类似的做法，因为字符串相加就是最常见的例子。

经过一番探讨，我们发现关键点出在拷贝构造函数上面

测试环境：编译器Keil MDK 5.14，处理器STM32F407VG

1、进出两次拷贝
做了一个测试代码，两次调用拷贝构造函数

class A
{
public:
        char* str;

    A(char* s)
    {
                str = s;
        debug_printf("A %s 0x%08X\r\n", str, this);
    }
        A(const A &a)
        {
        debug_printf("A.Copy %s 0x%08X => %s 0x%08X\r\n", a.str, &a, str, this);
        }
    ~A()
    {
        debug_printf("~A %s 0x%08X\r\n", str, this);
    }
};

class B : public A
{
public:
    B(char* s) : A(s)
    {
        debug_printf("B %s 0x%08X\r\n", str, this);
    }
        B(const B &b) : A(b.str)
        {
        debug_printf("B.Copy %s 0x%08X => %s 0x%08X\r\n", b.str, &b, str, this);
        }
    ~B()
    {
        debug_printf("~B %s 0x%08X\r\n", str, this);
    }
        B& operator=(const B &b)
        {
        debug_printf("B.Assign %s 0x%08X => %s 0x%08X\r\n", b.str, &b, str, this);
                return *this;
        }
};

B fun(B c)
{
        c.str = "c";
    return c;
}

void CtorTest()
{
        B a("a"), b("b");
        debug_printf("start \r\n");
    b = fun(a);
        debug_printf("end \r\n");
}

执行结果如下：

A a 0x2001FB78
B a 0x2001FB78
A b 0x2001FB74
B b 0x2001FB74
start 
A a 0x2001FB7C
B.Copy a 0x2001FB78 => a 0x2001FB7C
A c 0x2001FB80
B.Copy c 0x2001FB7C => c 0x2001FB80
B.Assign c 0x2001FB80 => b 0x2001FB74
~B c 0x2001FB80
~A c 0x2001FB80
~B c 0x2001FB7C
~A c 0x2001FB7C
end 
~B b 0x2001FB74
~A b 0x2001FB74
~B a 0x2001FB78
~A a 0x2001FB78

• 进入func的时候，参数进行了一次拷贝，c构造，也就是7C，然后a拷贝给c
• 离开func的时候，产生了临时对象80，并把7C拷贝给80
• func返回值赋值给b，也就是临时对象80赋值给74
• 然后才是80和7C的析构。
• 那么关键点就在于这个临时对象，它的作用域横跨函数内部和调用者，自然不怕析构回收。
• 不过奇怪的是，内部参数7C为何在外面析构？？
  

2、进去拷贝出来引用
修改func函数，返回引用，少一次拷贝构造

B& fun(B c)
{
        c.str = "c";
    return c;
}

执行结果如下：

A a 0x2001FB70
B a 0x2001FB70
A b 0x2001FB6C
B b 0x2001FB6C
start 
A a 0x2001FB74
B.Copy a 0x2001FB70 => a 0x2001FB74
B.Assign c 0x2001FB74 => b 0x2001FB6C
~B c 0x2001FB74
~A c 0x2001FB74
end 
~B b 0x2001FB6C
~A b 0x2001FB6C

~A a 0x2001FB70

• 进去的时候参数来了一次拷贝构造74
• 出来的时候74直接赋值给6C，也就是b。看样子，按引用返回直接省去了临时对象。
• 但是上面这个代码编译会有一个警告，也就是返回本地变量的引用。
• 赋值以后，内部对象74才被析构
  
• 虽然有警告，但是对象还没有被析构，外面可以使用。按理说每个线程都有自己的栈，不至于那么快被别的线程篡改数据。但是很难说硬件中断函数会不会用到那一块内存。
• 这里有个非常奇怪的现象，没有见到70的B析构，不知道是不是串口输出信息太快，丢失了这一部分数据，尝试了几次都是如此。
  

3、引用进去引用出来
修改参数传入引用，再少一次拷贝构造

B& fun(B& c)
{
        c.str = "c";
    return c;
}

执行结果如下：

A a 0x2001FB88
B a 0x2001FB88
A b 0x2001FB84
B b 0x2001FB84
start 
B.Assign c 0x2001FB88 => b 0x2001FB84
end 
~B b 0x2001FB84
~A b 0x2001FB84
~B c 0x2001FB88
~A c 0x2001FB88

• 更加彻底，没有任何拷贝构造函数被执行
• 并且没有“返回本地变量引用”的警告
  

End