C++的构造函数的作用：初始化类对象的数据成员

Posted 2023-01-11 呆呆象呆呆

C++的构造函数的作用：初始化类对象的数据成员。

构造函数

即类的对象被创建的时候，编译系统对该对象分配内存空间，并自动调用构造函数，完成类成员的初始化。C++的构造函数可以有多个，创建对象时编译器会根据传入的参数不同调用不同的构造函数。

构造函数的特点：以类名作为函数名，无返回类型。

常见的构造函数有三种写法：

• 无参构造函数
• 一般构造函数
• 复制构造函数

1、无参构造函数

如果创建一个类，没有写任何构造函数，则系统会自动生成默认的无参构造函数，且此函数为空。

默认构造函数（default constructor）就是在没有显式提供初始化式时调用的构造函数。如果定义某个类的变量时没有提供初始化时就会使用默认构造函数。

但只要有下面某一种构造函数，系统就不会再自动生成这样一个默认的构造函数。如果希望有一个这样的无参构造函数，则需要显示地写出来。

#include <iostream>
using namespace std;

class Student 
public:
    int m_age;
    int m_score;

    // 1. 无参构造函数
    Student() 
        m_age = 18;
        m_score = 99;
        cout << "自动调用无参构造函数" << endl;
    
;

int main()

    Student student1;
    return 0;

2、一般构造函数

一般构造函数有两种写法：

方式1：

• 初始化列表方式：以一个冒号开始，接着是以逗号分隔的数据成员列表，每个数据成员后面跟一个放在括号中的初始化值。

C++规定，对象的成员变量的初始化动作发生在进入构造函数本体之前。也就是说采用初始化列表的话，构造函数本体实际上不需要有任何操作，因此效率更高。

#include <iostream>
using namespace std;

class Student 
public:
    int m_age;
    int m_score;

    // 2. 一般构造函数
    // 初始化列表方式
    Student(int age, int score) :
        m_age(age),
        m_score(score)
        
            cout << "2.1 初始化列表方式" << endl;//这里也可以为空
        
;

int main()

    Student student1(25,100);
    
    cout << student1.m_age << endl;
    cout << student1.m_score << endl;
    return 0;

方式2：

• 内部赋值方式：正常函数的赋值。

一般构造函数可以有多种参数形式，即一个类可以有多个一般构造函数，前提是参数的个数或者类型不同（C++的函数重载机制）。

#include <iostream>
using namespace std;

class Student 
public:
    int m_age;
    int m_score;

    // 2. 一般构造函数
    Student(int age, int score) 
        m_age = age;
        m_score = score;
        cout << "2.2 内部赋值方式（1）" << endl;
        cout << m_age << "," << m_score << endl;
    

    Student(int age) 
        m_age = age;
        cout << "2.2 内部赋值方式（2）" << endl;
        cout << m_age << endl;
    
;

int main()

    Student student1(25,100);
    Student student2(30);
    
    return 0;

3、复制构造函数

复制构造函数，也称为拷贝构造函数。

复制构造函数参数为类对象本身的引用，根据一个已存在的对象复制出一个新的对象，一般在函数中会将已存在对象的数据成员的值复制一份到新创建的对象中。

#include <iostream>
using namespace std;

class Student 
public:
    int m_age;
    int m_score;

    // 2. 一般构造函数
    Student(int age, int score) 
        m_age = age;
        m_score = score;
        cout << "2.2 内部赋值方式（1）" << endl;
        cout << m_age << "," << m_score << endl;
    

    // 3. 复制构造函数
    Student(Student& s) 
        m_age = s.m_age;
        m_score = s.m_score;
        cout << "3.  复制构造函数" << endl;
        cout << m_age << "," << m_score << endl;
    
;

int main()

    Student student1(25,100);
    Student student2(student1);
    
    return 0;

注意：若没有显示定义复制构造函数，则系统会默认创建一个复制构造函数，当类中有指针成员时，由系统默认创建的复制构造函数会存在“浅拷贝”的风险，因此必须显示定义复制构造函数。

• 浅拷贝指的是在对对象复制时，只对对象中的数据成员进行简单的赋值，若存在动态成员，就是增加一个指针，指向原来已经存在的内存。这样就造成两个指针指向了堆里的同一个空间。当这两个对象生命周期结束时，析构函数会被调用两次，同一个空间被两次free，造成野指针。
• 深拷贝就是对于对象中的动态成员，不是简单的赋值，而是重新分配空间。

需要注意的是，当类中拥有指针类型的成员变量时，拷贝构造函数中需要以深拷贝（而非浅拷贝）的方式复制该指针成员。有关深拷贝和浅拷贝以及它们的区别，读者可阅读《C++深拷贝和浅拷贝》一文做详细了解。

#include <iostream>
using namespace std;
class demo
public:
   demo():num(new int(0))
      cout<<"construct!"<<endl;
   
   //拷贝构造函数
   demo(const demo &d):num(new int(*d.num))
      cout<<"copy construct!"<<endl;
   
   ~demo()
      cout<<"class destruct!"<<endl;
   
private:
   int *num;
;
demo get_demo()
    return demo();

int main()
    demo a = get_demo();
    return 0;

如上所示，我们为 demo 类自定义了一个拷贝构造函数。该函数在拷贝 d.num 指针成员时，必须采用深拷贝的方式，即拷贝该指针成员本身的同时，还要拷贝指针指向的内存资源。否则一旦多个对象中的指针成员指向同一块堆空间，这些对象析构时就会对该空间释放多次，这是不允许的。

可以看到，程序中定义了一个可返回 demo 对象的 get_demo() 函数，用于在 main() 主函数中初始化 a 对象，其整个初始化的流程包含以下几个阶段：

1. 执行 get_demo() 函数内部的 demo() 语句，即调用 demo 类的默认构造函数生成一个匿名对象；
2. 执行 return demo() 语句，会调用拷贝构造函数复制一份之前生成的匿名对象，并将其作为 get_demo() 函数的返回值（函数体执行完毕之前，匿名对象会被析构销毁）；
3. 执行 a = get_demo() 语句，再调用一次拷贝构造函数，将之前拷贝得到的临时对象复制给 a（此行代码执行完毕，get_demo() 函数返回的对象会被析构）；
4. 程序执行结束前，会自行调用 demo 类的析构函数销毁 a。

部分编译器运行此程序时，看到的往往是优化后的输出结果：

然后同样的程序，如果在 Linux 上使用g++ demo.cpp -fno-elide-constructors命令运行（其中 demo.cpp 是程序文件的名称），就可以看到完整的输出结果：

如上所示，利用拷贝构造函数实现对 a 对象的初始化，底层实际上进行了 2 次拷贝（而且是深拷贝）操作。当然，对于仅申请少量堆空间的临时对象来说，深拷贝的执行效率依旧可以接受，但如果临时对象中的指针成员申请了大量的堆空间，那么 2 次深拷贝操作势必会影响 a 对象初始化的执行效率。

事实上，此问题一直存留在以 C++ 98/03 标准编写的 C++ 程序中。由于临时变量的产生、销毁以及发生的拷贝操作本身就是很隐晦的（编译器对这些过程做了专门的优化），且并不会影响程序的正确性，因此很少进入程序员的视野。

那么当类中包含指针类型的成员变量，使用其它对象来初始化同类对象时，怎样才能避免深拷贝导致的效率问题呢？C++11 标准引入了解决方案，该标准中引入了右值引用的语法，借助它可以实现移动语义。

4、移动构造函数

所谓移动语义，指的就是以移动而非深拷贝的方式初始化含有指针成员的类对象。简单的理解，移动语义指的就是将其他对象（通常是临时对象）拥有的内存资源“移为已用”。

以前面程序中的 demo 类为例，该类的成员都包含一个整形的指针成员，其默认指向的是容纳一个整形变量的堆空间。当使用 get_demo() 函数返回的临时对象初始化 a 时，我们只需要将临时对象的 num 指针直接浅拷贝给 a.num，然后修改该临时对象中 num 指针的指向（通常另其指向 NULL），这样就完成了 a.num 的初始化。

事实上，对于程序执行过程中产生的临时对象，往往只用于传递数据（没有其它的用处），并且会很快会被销毁。因此在使用临时对象初始化新对象时，我们可以将其包含的指针成员指向的内存资源直接移给新对象所有，无需再新拷贝一份，这大大提高了初始化的执行效率。

例如，下面程序对 demo 类进行了修改：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo
public:
    demo():num(new int(0))
        cout<<"construct!"<<endl;
    

    demo(const demo &d):num(new int(*d.num))
        cout<<"copy construct!"<<endl;
    
    //添加移动构造函数
    demo(demo &&d):num(d.num)
        d.num = NULL;
        cout<<"move construct!"<<endl;
    
    ~demo()
        cout<<"class destruct!"<<endl;
    
private:
    int *num;
;
demo get_demo()
    return demo();

int main()
    demo a = get_demo();
    return 0;

可以看到，在之前 demo 类的基础上，我们又手动为其添加了一个构造函数。和其它构造函数不同，此构造函数使用右值引用形式的参数，又称为移动构造函数。并且在此构造函数中，num 指针变量采用的是浅拷贝的复制方式，同时在函数内部重置了 d.num，有效避免了“同一块对空间被释放多次”情况的发生。

在 Linux 系统中使用g++ demo.cpp -o demo.exe -std=c++0x -fno-elide-constructors命令执行此程序，输出结果为：

通过执行结果我们不难得知，当为 demo 类添加移动构造函数之后，使用临时对象初始化 a 对象过程中产生的 2 次拷贝操作，都转由移动构造函数完成。

我们知道，非 const 右值引用只能操作右值，程序执行结果中产生的临时对象（例如函数返回值、lambda 表达式等）既无名称也无法获取其存储地址，所以属于右值。当类中同时包含拷贝构造函数和移动构造函数时，如果使用临时对象初始化当前类的对象，编译器会优先调用移动构造函数来完成此操作。只有当类中没有合适的移动构造函数时，编译器才会退而求其次，调用拷贝构造函数。

在实际开发中，通常在类中自定义移动构造函数的同时，会再为其自定义一个适当的拷贝构造函数，由此当用户利用右值初始化类对象时，会调用移动构造函数；使用左值（非右值）初始化类对象时，会调用拷贝构造函数。

读者可能会问，如果使用左值初始化同类对象，但也想调用移动构造函数完成，有没有办法可以实现呢？

默认情况下，左值初始化同类对象只能通过拷贝构造函数完成，如果想调用移动构造函数，则必须使用右值进行初始化。C++11 标准中为了满足用户使用左值初始化同类对象时也通过移动构造函数完成的需求，新引入了 std::move() 函数，它可以将左值强制转换成对应的右值，由此便可以使用移动构造函数。

参考文献

C++构造函数的三种写法 - 知乎

c++的构造函数极其调用（无参构造函数，有参构造函数，拷贝构造函数）_生活甜甜好运连连的博客-CSDN博客_c++调用无参构造函数

C++11移动构造函数详解