拷贝构造函数与赋值运算符重载函数要点

拷贝构造函数

一个小例子

最近在《剑指Offer》上看到了一道题（程序如下），要求我们分析编译运行的结果，并提供3个选项: A. 编译错误； B. 编译成功，运行时程序崩溃；C. 编译运行正常，输出10。

 1 #include <iostream>  2 using namespace std;  3   4 class A  5 {  6 private:  7     int value;  8   9 public: 10     A(int n) { value = n; } 11     A(A other) { value = other.value; } 12     void Print() { cout << value << endl; } 13 }; 14  15 int main() 16 { 17     A a = 10; 18     A b = a; 19     b.Print(); 20     return 0; 21 }

这个程序是通不过编译的，GCC和VS均通不过。根据《剑指Offer》上的解释，上述程序中的拷贝构造函数A(A other)传入的参数是A的一个实例，所以由于是传值参数，我们把形参复制到实参会调用拷贝构造函数。因此 如果允许拷贝构造函数传值，就会在拷贝构造函数内调用复制构造函数，就会形成无休止的递归调用从而导致栈溢出。 为了说明这个解释，我们先看下稍微修改过的程序：

 1 #include <iostream>  2 using namespace std;  3   4 class A  5 {  6 private:  7     int value;  8   9 public: 10     A(int n)  11     {  12         value = n;  13         cout << "constructor with argument" << endl; 14     } 15  16     A(const A& other)  17     {  18         value = other.value;  19         cout << "copy constructor" << endl; 20     } 21  22     A& operator=(const A& other) 23     { 24         cout << "assignment operator" << endl; 25         value = other.value; 26         return *this; 27     } 28  29     void func(A other)  30     {   31     } 32 }; 33  34 int main() 35 { 36     A a = 10;      //    constructor with argument 37     A b = 5;       //    constructor with argument 38     b = a;          //    assignment operator 39     A c = a;       //    copy constructor 40     b.func(a);      //    copy constructor 41  42     return 0; 43 }

程序的运行结果如下：

对于上述程序的第39行， 构造c，实质上是c.A(a)。假如拷贝构造函数参数不是引用类型的话，那么将使得c.A(a)变成a传值给c.A(A other)，即A other = a，而other没有被初始化，所以other = a将继续调用拷贝构造函数（这也是为什么调用func函数会调用拷贝构造函数）。接下来是构造other，也就是other.A(a)，即A other = a，又会触发拷贝构造函数，这样永远地递归下去。

关于上述程序还有一些值得说明的：

1）当某对象没被 初始化 ，这时运用赋值运算符调用的是拷贝构造函数；否则调用的是赋值运算符重载函数；

2）关于public、protected、private几个关键字的重新理解。如果我们直接在main函数用a.value是不行的（因为权限是private），但在拷贝构造函数和重载赋值运算符函数中确是可以的，而且，当我们不将传入参数设定为const的话，我们在函数中还可以修改传入参数的值，这不是自相矛盾了吗？具体解释可以参考博文 C++ 类访问控制public/private/protected探讨 的说法：

“ 

类是将数据成员和进行于其上的一系列操作(成员函数)封装在一起。注意：成员函数可以操作数据成员（可以称类中的数据成员为泛数据成员）！

对象是类的实例化，怎样理解实例化？其实每一个实例对象都只是对其中的数据成员初始化，内存映像中每个对象仅仅保留属于自己的那份数据成员副本。而 成员函数对于整个类而言却是共享的，即一个类只保留一份成员函数。

那么每个对象怎样和这些可以认为是“分离”的成员函数发生联系，即成员函数如何操作对象的数据成员？ 记住this指针，无论对象通过（.）操作或者（->）操作调用成员函数。编译时刻，编译器都会将这种调用转换成我们常见的全局函数的形式，并且多出一个参数（一般这个参数放在第一个，有点像python中类中函数声明中的self参数），然后将this指针传入这个参数。于是就完成了对象与成员函数的绑定（或联系）。

实例化后就得到同一个类的多个不同的对象，既然成员函数共享的，那么成员函数就可以操作对象的数据成员。

问题是现在有多个对象，成员函数需要知道操作的是哪个对象的数据成员？ 比如有对象obj1和obj2，都属于A类，A类有public成员函数foo()。 如果obj1调用该函数，编译时会给foo函数传入this指针，obj1.foo中操作obj1自身的成员就不用任何修饰，直接访问，因为其中的数据成员自动根据this指针找到。

如果obj1调用该函数，同样可以访问同类的其他对象的数据成员！那么你需要做的是让foo函数知道是同类对象中哪个对象的数据成员， 一个解决办法是传入同类其他对象的指针或引用，那么就可以操作同类其他对象的数据成员。

foo(A& obj)

这样定义，然后调用：

obj1.foo(obj2)

就可以在obj1访问obj2的数据成员，而无论这些数据成员是private还是protected

" 

处理静态成员变量

关于静态成员变量详细的可参考之前博文 C/C++中关键字static的用法及作用 。静态成员变量主要是为了同个类的不同实例之间数据的共享，所以其处理方法也跟其他成员变量稍微不一样。

先看下程序：

 1 class Rect  2 {  3 public:  4     Rect()      // 构造函数，计数器加1  5     {  6         count++;  7     }  8     ~Rect()     // 析构函数，计数器减1  9     { 10         count--; 11     } 12     static int getCount()       // 返回计数器的值 13     { 14         return count; 15     } 16 private: 17     int width; 18     int height; 19     static int count;       // 一静态成员做为计数器 20 }; 21  22 int Rect::count = 0;        // 初始化计数器 23  24 int main() 25 { 26     Rect rect1; 27     cout << "The count of Rect: " << Rect::getCount() << endl; 28  29     Rect rect2(rect1);   // 使用rect1复制rect2，此时应该有两个对象 30     cout << "The count of Rect: " << Rect::getCount() << endl; 31  32     return 0; 33 }

程序的输出结果都是count = 1，这明显跟我们的期望值（应该是2）不一样。具体原因在于我们没有定制拷贝构造函数，而是由编译器帮我们自动生成一个默认拷贝函数：

1 Rect::Rect(const Rect& orig) 2 { 3     width = orig.width; 4     height = orig.height; 5 }

显然这里并没有处理静态成员变量count，所以我们需要定制拷贝构造函数：

1 Rect(const Rect& orig)   // 拷贝构造函数 2 { 3     width = orig.width; 4     height = orig.height; 5     count++;             // 计数器加1 6 }

深拷贝与浅拷贝

深拷贝主要解决的问题是指针成员变量浅拷贝的问题。这方面的博文很多，可以参考博文 C++拷贝构造函数详解 。这篇博文有提到了几点值得注意的：

1. 防止默认拷贝（也能够禁止复制）

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。如下程序：

 1 #include <iostream>  2 using namespace std;  3   4 class CExample  5 {  6 private:  7     int value;  8   9 public: 10     //构造函数 11     CExample(int val) 12     { 13         value = val; 14         cout << "creat: " << value << endl; 15     } 16  17 private: 18     //拷贝构造，只是声明 19     CExample(const CExample& C); 20  21 public: 22     ~CExample() 23     { 24         cout << "delete: " << value << endl; 25     } 26  27     void Show() 28     { 29         cout << value << endl; 30     } 31 }; 32  33 //全局函数 34 void g_Fun(CExample C) 35 { 36     cout << "test" << endl; 37 } 38  39 int main() 40 { 41     CExample test(1); 42     // g_Fun(test); // 按值传递将出错 43  44     return 0; 45 }

而根据《C++ Primer》第四版13.1.3节， 要禁止类的复制， 类必须显示声明其复制构造函数为private。

2. 小问题1：以下哪个函数是拷贝构造函数，为什么？

1 X::X(const X&);     2 X::X(X);     3 X::X(X&, int a=1);     4 X::X(X&, int a=1, int b=2);

1 X::X(const X&);  //是拷贝构造函数     2 X::X(X&, int=1); //是拷贝构造函数    3 X::X(X&, int a=1, int b=2); //当然也是拷贝构造函数

3. 小问题2：一个类中可以有多个拷贝构造函数吗？

解答：类中可以存在超过一个拷贝构造函数。 

1 class X {  2 public:        3   X(const X&);      // const 的拷贝构造 4   X(X&);            // 非const的拷贝构造 5 };

赋值运算符重载

关于运算符重载可参考之前博文C++运算符重载。

在本文的第2个程序中我们就已经对赋值运算符进行了重载：

1 A& operator=(const A& other) 2 { 3     cout << "assignment operator" << endl; 4     value = other.value; 5  6     return *this; 7 }

为了便于说明，我们用一个新的例子（我们极容易写出这样的代码）：

 1 class CMyString  2 {  3 public:  4     CMyString(char *ptr = nullptr);  5     CMyString(const CMyString &str);  6     ~CMyString();  7     CMyString& operator=(const CMyString &str);  8   9 private: 10     char *pData; 11 }; 12  13 CMyString& CMyString::operator=(const CMyString& str) 14 { 15     pData = str.pData; 16     return *this; 17 }

这个赋值运算符重载函数存在的问题如下：

1） 浅拷贝；

2） 没有（检查）释放实例自身已有的内存。如果我们忘记在分配新内存之前释放自身已有的空间，程序将出现内存泄漏；

3） 没有判断穿入的参数和当前的实例（*this）是不是同一个实例。如果是同一个，则不进行复制操作，直接返回。如果事先不判断就进行赋值，那么在释放实例自身的内存的时候就会导致严重问题：当*this和传入的参数是同一个实例时，那么一旦释放了自身的内存，传入的参数的内存也同时被释放了，因此在也找不到需要赋值的内容了。

修改之后的赋值运算符重载函数如下：

 1 CMyString& CMyString::operator=(const CMyString& str)  2 {  3     if (this == &str)  4         return *this;  5   6     delete []pData;  7     pData = nullptr;  8   9     pData = new char[strlen(str.pData) + 1]; 10     strcpy(pData, str.pData); 11  12     return *this; 13 }

上述代码现在的问题在于 4） 异常安全性 ，即new可能会抛出异常，而我们却没有处理！所以我们可以将程序继续修改：

 1 CMyString& CMyString::operator=(const CMyString& str)  2 {  3     if (this == &str)  4         return *this;  5   6     char *tmp = new(nothrow) char[strlen(str.pData) + 1];  7     if (tmp == nullptr)  8         return *this;  9  10     strcpy(tmp, str.pData); 11  12     delete []pData; 13     pData = tmp; 14     tmp = nullptr; 15      16     return *this; 17 }

除了前边提到的4个点，赋值运算符重载还有两点需要注意：

5） 是否把返回值的类型声明为该类型的引用，并在函数结束前返回实例自身的引用（即*this）。 只有返回一个引用，才可以允许连续赋值。 否则如果函数的返回值是void，应用该赋值将不能做连续赋值。假设有3个CMyString对象：str1、str2和str3，在程序中语句str1=str2=str3将不能通过编译。

6） 是否把传入的参数的类型声明为常量引用。 如果传入的参数不是引用而是实例，那么从形参到实参会调用一次拷贝构造函数。把参数声明为引用可以避免这样的无谓消耗，从而提高代码效率。 同时，我们在赋值运算符函数内不会修改传入的实例的状态，因此应该为传入的引用参数加上const关键字。

参考资料

《剑指Offer》

C++拷贝构造函数详解

C++ 类访问控制public/private/protected探讨