C++拷贝构造函数详解

Posted 2020-12-03 ye-ming

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”。

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。

 

1. 深拷贝和浅拷贝（拷贝构造函数的使用）

 

 

有时候需要自己定义拷贝构造函数，以避免浅拷贝问题。

在什么情况下需要用户自己定义拷贝构造函数：

一般情况下，当类中成员有指针变量、类中有动态内存分配时常常需要用户自己定义拷贝构造函数。

 

在什么情况下系统会调用拷贝构造函数：（三种情况）

（1）用类的一个对象去初始化另一个对象时

（2）当函数的形参是类的对象时（也就是值传递时），如果是引用传递则不会调用

（3）当函数的返回值是类的对象或引用时

 

简单示例：

#include <iostream>  
using namespace std;  
  
class A  
{  
private:  
    int a;  
public:  
    A(int i){a=i;}  //内联的构造函数  
    A(A &aa);  
    int geta(){return a;}  
};  
  
A::A(A &aa)     //拷贝构造函数  
{  
    a=aa.a;  
    cout<<"拷贝构造函数执行！"<<endl;  
}  
  
int get_a(A aa)     //参数是对象，是值传递，会调用拷贝构造函数  
{  
    return aa.geta();  
}  
  
int get_a_1(A &aa)  //如果参数是引用类型，本身就是引用传递，所以不会调用拷贝构造函数  
{  
    return aa.geta();  
}  
  
A get_A()       //返回值是对象类型，会调用拷贝构造函数。会调用拷贝构造函数，因为函数体内生成的对象aa是临时的，离开这个函数就消失了。所有会调用拷贝构造函数复制一份。  
{  
    A aa(1);  
    return aa;  
}  
  
A& get_A_1()    //会调用拷贝构造函数，因为函数体内生成的对象aa是临时的，离开这个函数就消失了。所有会调用拷贝构造函数复制一份。  
{  
    A aa(1);  
    return aa;  
}  
  
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])  
{  
    A a1(1);  
    A b1(a1);           //用a1初始化b1，调用拷贝构造函数  
    A c1=a1;            //用a1初始化c1，调用拷贝构造函数  
  
    int i=get_a(a1);        //函数形参是类的对象，调用拷贝构造函数  
    int j=get_a_1(a1);      //函数形参类型是引用，不调用拷贝构造函数  
  
    A d1=get_A();       //调用拷贝构造函数  
    A e1=get_A_1();     //调用拷贝构造函数  
  
    return 0;  
}  

附：一个面试试题

修改下面程序中的错误：

#include <iostream>  
using namespace std;  
  
class NameStr  
{  
private:  
    char *m_pName;  
    char *m_pData;  
public:  
    NameStr()  
    {  
        static const char s_szDefaultName[]="Default name";  
        static const char s_szDefaultStr[]="Default string";  
        strcpy(m_pName,s_szDefaultName);  
        strcpy(m_pData,s_szDefaultStr);  
    }  
    ~NamedStr(){}  
    NameStr(const char* pName,const char* pData)  
    {  
        m_pData=new char[strlen(pData)];  
        m_pName=new char[strlen(pData)];  
    }  
  
    void Print()  
    {  
        cout<<"Name:"<<m_pName<<endl;  
        cout<<"String:"<<m_pData<<endl;  
    }  
};  
  
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])  
{  
    NameStr* pDefNss=NULL;  
  
    pDefNss=new NameStr[10];  
    NameStr ns("hello","world");  
  
    delete pDefNss;  
  
    return 0;  
}  

分析：

1. 第14、15行，strcpy(m_pName,s_szDefaultName) 对未分配内存空间的字符指针赋值会出现异常。

2. 第20行、21行，m_pData=new char[strlen(pData)] 应该为m_pData=new char[strlen(pData)+1] ，并且应该为最后一个字符赋值为‘‘。

3. 析构函数中，应该处理字符指针内存空间的释放。

4. 因为类的成员变量中有指针变量，因此应该编写类的拷贝构造函数和赋值函数，防止浅拷贝。

5. pDefNss是一个对象数组，delete时应该是delete [ ]pDefNss。

#include <iostream>  
using namespace std;  
  
//NameStr类的声明  
class NameStr  
{  
private:  
    char *m_pName;  
    char *m_pData;  
public:  
    NameStr();      //默认拷贝构造函数  
  
    ~NameStr(); //析构函数声明  
  
    NameStr(const char* pName,const char* pData);   //带参构造函数的声明  
  
    NameStr(const NameStr& temp);   //拷贝构造函数的声明  
  
    NameStr& operator= (const NameStr& temp);   //重载=运算符  
  
    void Print();   //输出对象内容  
};  
  
//默认构造函数的实现  
NameStr::NameStr()    
{  
    static const char s_szDefaultName[]="Default name";  
    static const char s_szDefaultStr[]="Default string";  
  
    m_pData=new char[strlen(s_szDefaultStr)+1];     //不能为为分配内存空间的字符指针赋值  
    m_pName=new char[strlen(s_szDefaultName)+1];  
  
    strcpy(m_pName,s_szDefaultName);        //更规范的方式是使用strncpy函数进行拷贝  
    m_pName[strlen(s_szDefaultName)]=‘‘;  
    strcpy(m_pData,s_szDefaultStr);  
    m_pData[strlen(s_szDefaultStr)]=‘‘;  
}  
  
//析构函数的实现  
NameStr::~NameStr()  
{  
    delete []m_pData;  
    delete []m_pName;  
}  
  
//带参构造函数的实现  
NameStr::NameStr(const char* pName,const char* pData)  
{  
    m_pData=new char[strlen(pData)+1];      //开辟内存空间  
    m_pName=new char[strlen(pName)+1];  
  
    strcpy(m_pData,pData);  
    m_pData[strlen(pData)]=‘‘;  
    strcpy(m_pName,pName);  
    m_pName[strlen(pName)]=‘‘;  
}  
  
//拷贝构造函数的实现  
NameStr::NameStr(const NameStr& temp)  
{  
    m_pData=new char[strlen(temp.m_pData)+1];         
    m_pName=new char[strlen(temp.m_pName)+1];  
  
    strcpy(m_pData,temp.m_pData);  
    m_pData[strlen(temp.m_pData)]=‘‘;  
    strcpy(m_pName,temp.m_pName);  
    m_pName[strlen(temp.m_pName)]=‘‘;  
}  
  
//重载=运算符的实现  
NameStr& NameStr::operator=(const NameStr& temp)      
{  
    //首先要进行检查，防止自身复制  
    if(&temp==this) //this是一个指针，表示本对象的地址。&temp是temp对象的指针。  
    {  
        return *this;  
    }  
  
    //释放原有的内存空间  
    delete []m_pData;  
    delete []m_pName;  
  
    //分配新的内存空间  
    m_pData=new char[strlen(temp.m_pData)+1];         
    m_pName=new char[strlen(temp.m_pName)+1];  
  
    //进行拷贝  
    strcpy(m_pData,temp.m_pData);  
    m_pData[strlen(temp.m_pData)]=‘‘;  
    strcpy(m_pName,temp.m_pName);  
    m_pName[strlen(temp.m_pName)]=‘‘;  
  
    //返回本对象的引用  
    return *this;  
}  
  
inline void NameStr::Print()  
{  
    cout<<"Name:"<<m_pName<<endl;  
    cout<<"String:"<<m_pData<<endl;  
}  
  
//程序入口  
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])  
{  
    NameStr* pDefNss=NULL;  
  
    pDefNss=new NameStr[3];  
    NameStr ns("hello","world");  
  
    delete []pDefNss;  
  
    NameStr ns1=ns;  
  
    return 0;  
}