《C++Primer》第十三章-复制控制-学习笔记(1)-复制构造函数&赋值操作符

《C++Primer》第十三章-复制控制-学习笔记(1)

日志：
1，2020-03-16 笔者提交文章的初版V1.0

作者按：
最近在学习C++ primer，初步打算把所学的记录下来。

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《C++Primer》第二章-变量和基本类型-学习笔记(1)
《C++Primer》第三章-标准库类型-学习笔记(1)
《C++Primer》第八章-标准 IO 库-学习笔记(1)
《C++Primer》第十二章-类-学习笔记(1)

摘要

每种类型，无论是内置类型还是类类型，都对该类型对象的一组（可能为空的）操作的含义进行了定义。 比如，我们可以将两个 int 值相加，运行 vector对象的 size 操作，等等。这些操作定义了用给定类型的对象可以完成什么任务。
每种类型还定义了创建该类型的对象时会发生什么——构造函数定义了该类类型对象的初始化。类型还能控制复制、赋值或撤销该类型的对象时会发生什么——类通过特殊的成员函数：复制构造函数、赋值操作符和析构函数来控制这些行为。本章将介绍这些操作。
当定义一个新类型的时候，需要显式或隐式地指定复制、赋值和撤销该类型的对象时会发生什么——这是通过定义特殊成员：复制构造函数、赋值操作符和析构函数来达到的。如果没有显式定义复制构造函数或赋值操作符，编译器（通常）会为我们定义。

复制构造函数是一种特殊构造函数，具有单个形参，该形参（常用 const 修饰）是对该类类型的引用。当定义一个新对象并用一个同类型的对象对它进行初始化时，将显式使用复制构造函数。当将该类型的对象传递给函数或函数返回该类型的对象时，将隐式使用复制构造函数。
析构函数是构造函数的互补：当对象超出作用域或动态分配的对象被删除时，将自动应用析构函数。析构函数可用于释放对象时构造或在对象的生命期中所获取的资源。不管类是否定义了自己的析构函数，编译器都自动执行类中非static 数据成员的析构函数。
与构造函数一样，赋值操作符可以通过指定不同类型的右操作数而重载。右操作数为类类型的版本比较特殊：如果我们没有编写这种版本，编译器将为我们合成一个。
复制构造函数、赋值操作符和析构函数总称为复制控制。编译器自动实现这些操作，但类也可以定义自己的版本。
复制控制是定义任意 C++ 类必不可少的部分。 初学 C++ 的程序员常对必须定义在复制、赋值或撤销对象时发生什么感到困惑。因为如果我们没有显式定义这些操作，编译器将为我们定义它们（尽管它们也许不像我们期望的那样工作），这往往使初学者更加困惑。

通常，编译器合成的复制控制函数是非常精练的——它们只做必需的工作。但对某些类而言，依赖于默认定义会导致灾难。实现复制控制操作最困难的部分，往往在于识别何时需要覆盖默认版本。有一种特别常见的情况需要类定义自己的复制控制成员的：类具有指针成员。

复制构造函数

只有单个形参，而且该形参是对本类类型对象的引用（常用 const 修饰），这样的构造函数称为复制构造函数。与默认构造函数一样，复制构造函数可由编译器隐式调用。复制构造函数可用于：

• 根据另一个同类型的对象显式或隐式初始化一个对象。
• 复制一个对象，将它作为实参传给一个函数。
• 从函数返回时复制一个对象。
• 初始化顺序容器中的元素。
• 根据元素初始化式列表初始化数组元素。

对象的定义形式

回忆一下，C++ 支持两种初始化形式（第 2.3.3 节）：直接初始化(direct-initialization)和复制初始化(copy-initialization)。复制初始化使用 = 符号，而直接初始化将初始化式放在圆括号中。
类类型对象初始化的复制形式和直接形式有所不同：

• 类类型对象直接初始化直接调用与实参匹配的构造函数
• 类类型对象复制初始化总是调用复制构造函数。复制初始化首先使用指定构造函数创建一个临时对象（第 7.3.2 节），然后用复制构造函数将那个临时对象复制到正在创建的对象。

string null_book = "9-999-99999-9"; // copy-initialization
string dots(10, '.'); // direct-initialization
string empty_copy = string(); // copy-initialization
string empty_direct; // direct-initialization

对于类类型对象，只有指定单个实参或显式创建一个临时对象用于复制时，才使用复制初始化。

创建 dots 时，调用参数为一个数量和一个字符的 string 构造函数并直接初始化 dots 的成员。创建 null_book 时，编译器首先调用接受一个 C 风格字符串形参的 string 构造函数，创建一个临时对象，然后，编译器使用 string 复制构造函数将 null_book 初始化为那个临时对象的副本。
empty_copy 和 empty_direct 的初始化都调用默认构造函数。对前者初始化时，默认构造函数函数创建一个临时对象，然后复制构造函数用该对象初始化empty_copy。对后者初始化时，直接运行 empty_direct 的默认构造函数。
支持初始化的复制形式主要是为了与 C 的用法兼容。 当情况许可时，可以允许编译器跳过复制构造函数直接创建对象，但编译器没有义务这样做。
通常直接初始化和复制初始化仅在低级别上存在差异。然而，对于不支持复制的类型，或者使用非 explicit 构造函数（第 12.4.4 节）的进修，它们有本质区别：

ifstream file1("filename"); // ok: direct initialization
ifstream file2 = "filename"; // error: copy constructor is private
// This initialization is okay only if
// the Sales_item(const string&) constructor is not explicit
Sales_item item = string("9-999-99999-9");

file1 的初始化是正确的。ifstream 类定义了一个可用 C 风格字符串调用的构造函数，使用该构造函数初始化 file1。
看上去等效的 file2 初始化使用复制初始化，但该定义不正确。由于不能复制 IO 类型的对象（第 8.1 节），所以不能对那些类型的对象使用复制初始化。
item 的初始化是否正确，取决于正在使用哪个版本的 Sales_item 类。某些版本将参数为一个 string 的构造函数定义为explicit。如果构造函数是显式的，则初始化失败；如果构造函数不是显式的，则初始化成功。

形参与返回值

• 当形参为非引用类型（第 7.2.1 节）的时候，将复制实参的值。类似地，以非引用类型作返回值时，将返回 return 语句 中的值的副本（第 7.3.2 节）。
• 当形参或返回值为类类型时，由复制构造函数进行复制。

例如，考虑 第7.3.2 节的make_plural 函数：

// copy constructor used to copy the return value;
// parameters are references, so they aren't copied
string make_plural(size_t, const string&, const string&);

这个函数隐式使用 string 复制构造函数返回给定单词的复数形式。形参是const 引用，不能复制。

初始化容器元素

复制构造函数可用于初始化顺序容器中的元素。例如，可以用表示容量的单个形参来初始化容器（第 3.3.1 节）。容器的这种构造方式使用默认构造函数和复制构造函数：

// default string constructor and five string copy constructors invoked
//调用了一个构造函数和五个复制构造函数
vector<string> svec(5);

编译器首先使用 string 默认构造函数创建一个临时值来初始化 svec，然后使用复制构造函数将临时值复制到 svec 的每个元素。

作为一般规则（第 9.1.1 节），除非你想使用容器元素的默认初始值，更有效的办法是，分配一个空容器并将已知元素的值加入容器。

构造函数与数组元素

如果没有为类类型数组提供元素初始化式，则将用默认构造函数初始化每个元素。然而，如果使用常规的花括号括住的数组初始化列表（第 4.1.1 节）来提供显式元素初始化式，则使用复制初始化来初始化每个元素。根据指定值创建适当类型的元素，然后用复制构造函数将该值复制到相应元素：

Sales_item primer_eds[] = { string("0-201-16487-6"),
string("0-201-54848-8"),
string("0-201-82470-1"),
Sales_item()
};

如前三个元素的初始化式中所示可以直接指定一个值，用于调用元素类型的单实参构造函数。如果希望不指定实参或指定多个实参，就需要使用完整的构造函数语法，正如最后一个元素的初始化那样。

合成的复制构造函数

如果我们没有定义复制构造函数，编译器就会为我们合成一个。 与合成的默认构造函数（第 12.4.3 节）不同，即使我们定义了其他构造函数，也会合成复制构造函数。合成复制构造函数的行为是，执行逐个成员初始化，将新对象初始化为原对象的副本。所谓“逐个成员”，指的是编译器将现在对象的每个非 static 成员，依次复制到正创建的对象。只有一个例外，每个成员的类型决定了复制该成员的含义。
合成复制构造函数直接复制内置类型成员的值，类类型成员使用该类的复制构造函数进行复制。数组成员的复制是个例外。虽然一般不能复制数组，但如果一个类具有数组成员，则合成复制构造函数将复制数组。复制数组时合成复制构造函数将复制数组的每一个元素。
逐个成员初始化最简单的概念模型是，将合成复制构造函数看作这样一个构造函数：其中每个数据成员在构造函数初始化列表中进行初始化。例如，对于我们的 Sales_item 类，它有三个数据成员：

class Sales_item {
// other members and constructors as before
private:
	std::string isbn;
	int units_sold;
	double revenue;
};

合成复制构造函数如下所示：

Sales_item::Sales_item(const Sales_item &orig):
isbn(orig.isbn), // uses string copy constructor
units_sold(orig.units_sold), // copies orig.units_sold
revenue(orig.revenue) // copy orig.revenue
{ } // empty body

定义自己的复制构造函数

复制构造函数就是接受单个类类型引用形参（通常用 const 修饰）的构造函数(因为需要将那个临时对象复制到正在创建的对象)：

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

虽然也可以定义接受非 const 引用的复制构造函数，但形参通常是一个const 引用。因为用于向函数传递对象和从函数返回对象，该构造函数一般不应设置为 explicit（第 12.4.4 节）。复制构造函数应将实参的成员复制到正在构造的对象。
对许多类而言，合成复制构造函数只完成必要的工作。只包含类类型成员或内置类型（但不是指针类型）成员的类，无须显式地定义复制构造函数，也可以复制。

然而，有些类必须对复制对象时发生的事情加以控制。

• 这样的类经常有一个数据成员是指针，或者有成员表示在构造函数中分配的其他资源。
• 而另一些类在创建新对象时必须做一些特定工作。
• 上面这两种情况下，都必须定义复制构造函数。

通常，定义复制构造函数最困难的部分在于认识到需要复制构造函数。只要能认识到需要复制构造函数，定义构造函数一般非常简单。复制构造函数的定义与其他构造函数一样：它与类同名，没有返回值，可以（而且应该）使用构造函数初始化列表初始化新创建对象的成员，可以在函数体中做任何其他必要工作。
后续章节中将给出一些需要定义复制构造函数的类的例子。第 13.4 节给出了一对类，它们需要显式复制构造函数，用于处理与简单消息处理应用程序相关的工作。具有指针成员的类在第 13.5 节给出。

禁止复制

有些类需要完全禁止复制。 如，iostream 类就不允许复制（第 8.1 节）。
如果想要禁止复制，似乎可以省略复制构造函数，然而，如果不定义复制构造函数，编译器将合成一个。
为了防止复制，类必须显式声明其复制构造函数为 private。如果复制构造函数是私有的，将不允许用户代码复制该类类型的对象，编译器将拒绝任何进行复制的尝试。
然而，类的友元和成员仍可以进行复制（用作用域来理解这句话）。如果想要连友元和成员中的复制也禁止，就可以声明一个（private）复制构造函数但不对其定义。
声明而不定义成员函数是合法的，但是，使用未定义成员的任何尝试将导致链接失败。通过声明（但不定义）private 复制构造函数，可以禁止任何复制类类型对象的尝试：用户代码中复制尝试将在编译时标记为错误，而成员函数和友元中的复制尝试将在链接时导致错误。

大多数类应定义复制构造函数和默认构造函数

不定义复制构造函数和／或默认构造函数，会严重局限类的使用。不允许复制的类对象只能作为引用传递给函数或从函数返回，它们也不能用作容器的元素。
一般来说，最好显式或隐式定义默认构造函数和复制构造函数。只有不存在其他构造函数时才合成默认构造函数。如果定义了复制构造函数，也必须定义默认构造函数。

赋值操作符

与类要控制初始化对象的方式一样，类也定义了该类型对象赋值时会发生什么：

Sales_item trans, accum;
trans = accum;

与复制构造函数一样，如果类没有定义自己的赋值操作符，则编译器会合成一个。

介绍重载赋值

在介绍合成赋值操作符之前，需要简单了解一下重载操作符，我们将在第十四章详细介绍。
重载操作符是一些函数，其名字为 operator后跟着所定义的操作符的符号。因此，通过定义名为 operator= 的函数，我们可以对赋值进行定义。 像任何其他函数一样，操作符函数有一个返回值和一个形参表。形参表必须具有与该操作符数目相同的形参（如果操作符是一个类成员，则包括隐式 this 形参）。赋值是二元运算，所以该操作符函数有两个形参：第一个形参对应着左操作数，第二个形参对应右操作数。

大多数操作符可以定义为成员函数或非成员函数。当操作符为成员函数时，它的第一个操作数隐式绑定到 this 指针。有些操作符（包括赋值操作符）必须是定义自己的类的成员。因为赋值必须是类的成员，所以 this 绑定到指向左操作数的指针。因此，赋值操作符接受单个形参，且该形参是同一类类型的对象。右操作数一般作为 const 引用传递。

赋值操作符的返回类型应该与内置类型赋值运算返回的类型相同（第 5.4.1节）。内置类型的赋值运算返回对右操作数的引用，因此，赋值操作符也返回对同一类类型的引用。
例如，Sales_item 的赋值操作符可以声明为：

class Sales_item {
public:
// other members as before
// equivalent to the synthesized assignment operator
Sales_item& operator=(const Sales_item &);
};

合成赋值操作符

合成赋值操作符与合成复制构造函数的操作类似。它会执行逐个成员赋值：
右操作数对象的每个成员赋值给左操作数对象的对应成员。除数组之外，每个成
员用所属类型的常规方式进行赋值。对于数组，给每个数组元素赋值。
例如，Sales_item 的合成赋值操作符可能如下所示：

// equivalent to the synthesized assignment operator
Sales_item&
Sales_item::operator=(const Sales_item &rhs)
{
	isbn = rhs.isbn; // calls string::operator=
	units_sold = rhs.units_sold; // uses built-in int assignment
	revenue = rhs.revenue; // uses built-in double assignment
	return *this;
}

合成赋值操作符根据成员类型使用适合的内置或类定义的赋值操作符，依次给每个成员赋值，该操作符返回 *this，它是对左操作数对象的引用。

复制和赋值常一起使用

可以使用合成复制构造函数的类通常也可以使用合成赋值操作符。我们的Sales_item 类无须定义复制构造函数或赋值操作符，这些操作符的合成版本工作得很好。
然而，类也可以定义自己的赋值操作符。**一般而言，如果类需要复制构造函数，它也会需要赋值操作符。**实际上，就将这两个操作符看作一个单元。如果需要其中一个，我们几乎也肯定需要另一个。

参考资料

【1】C++ Primer 中文版（第四版·特别版）

注解