什么是三法则？

Posted 2023-02-21

【中文标题】什么是三法则？

【英文标题】：What is The Rule of Three?

【发布时间】：2010-11-13 13:27:09

【问题描述】：

复制对象是什么意思？ 什么是拷贝构造函数和拷贝赋值运算符？ 我什么时候需要自己申报？ 如何防止我的对象被复制？

【问题讨论】：

请在投票结束前阅读this whole thread和the c++-faq tag wiki。

@Binary：在您投票之前至少花点时间阅读评论讨论。文本过去要简单得多，但 Fred 被要求对其进行扩展。此外，虽然这是 语法上的四个问题，但它实际上只是一个包含多个方面的问题。 （如果您不同意这一点，请通过单独回答每个问题来证明您的 POV，然后让我们对结果进行投票。）

相关：The Law of The Big Two

请记住，从 C++11 开始，我认为这已升级为五规则，或类似的规则。

@paxdiablo The Rule of Zero 准确地说。

【参考方案1】：

简介

C++ 使用值语义处理用户定义类型的变量。 这意味着对象在各种上下文中被隐式复制， 我们应该明白“复制对象”的真正含义。

让我们考虑一个简单的例子：

class person

    std::string name;
    int age;

public:

    person(const std::string& name, int age) : name(name), age(age)
    
    
;

int main()

    person a("Bjarne Stroustrup", 60);
    person b(a);   // What happens here?
    b = a;         // And here?

（如果您对name(name), age(age) 部分感到困惑， 这称为member initializer list。）

特殊成员函数

复制person 对象是什么意思？ main 函数显示了两种不同的复制场景。 初始化person b(a); 由复制构造函数 执行。 它的工作是根据现有对象的状态构造一个新对象。 赋值b = a 由复制赋值运算符 执行。 它的工作通常稍微复杂一点， 因为目标对象已经处于某种需要处理的有效状态。

由于我们自己既没有声明复制构造函数也没有声明赋值运算符（也没有析构函数）， 这些是为我们隐含定义的。引用标准：

[...] 复制构造函数和复制赋值运算符，[...] 和析构函数是特殊的成员函数。 [ 注意：实现会隐式声明这些成员函数 对于某些类类型，当程序没有显式声明它们时。 如果使用它们，实现将隐式定义它们。 [...] 结束说明 ] [n3126.pdf 第 12 节 §1]

默认情况下，复制一个对象意味着复制它的成员：

非联合类 X 的隐式定义的复制构造函数执行其子对象的成员复制。 [n3126.pdf 第 12.8 节第 16 节]

非联合类 X 的隐式定义的复制赋值运算符执行成员复制赋值 的子对象。 [n3126.pdf 第 12.8 节第 30 节]

隐式定义

person 的隐式定义的特殊成员函数如下所示：

// 1. copy constructor
person(const person& that) : name(that.name), age(that.age)



// 2. copy assignment operator
person& operator=(const person& that)

    name = that.name;
    age = that.age;
    return *this;


// 3. destructor
~person()

Memberwise 复制正是我们在这种情况下想要的： name 和 age 被复制，所以我们得到一个自包含、独立的 person 对象。 隐式定义的析构函数始终为空。 在这种情况下这也很好，因为我们没有在构造函数中获取任何资源。 person 析构函数完成后，成员的析构函数被隐式调用：

在执行析构函数的主体并销毁主体内分配的所有自动对象后， X 类的析构函数调用 X 的直接 [...] 成员的析构函数 [n3126.pdf 12.4 §6]

管理资源

那么我们什么时候应该显式地声明这些特殊的成员函数呢？ 当我们的类管理一个资源，也就是 当类的对象对那个资源负责时。 这通常意味着资源在构造函数中被获取 （或传入构造函数）并在析构函数中释放。

让我们回到标准前的 C++。 没有 std::string 这样的东西，程序员都爱上了指针。 person 类可能看起来像这样：

class person

    char* name;
    int age;

public:

    // the constructor acquires a resource:
    // in this case, dynamic memory obtained via new[]
    person(const char* the_name, int the_age)
    
        name = new char[strlen(the_name) + 1];
        strcpy(name, the_name);
        age = the_age;
    

    // the destructor must release this resource via delete[]
    ~person()
    
        delete[] name;
    
;

即使在今天，人们仍然以这种风格编写课程并遇到麻烦： “我将一个人推入向量中，现在我出现了疯狂的记忆错误！” 请记住，默认情况下，复制对象意味着复制其成员， 但是复制name 成员只是复制一个指针，不是它指向的字符数组！ 这有几个不愉快的影响：

可以通过b 观察通过a 进行的更改。 一旦b 被销毁，a.name 就是一个悬空指针。 如果a 被销毁，则删除悬空指针会产生undefined behavior。 由于赋值没有考虑到赋值前name指向的内容， 迟早你会到处出现内存泄漏。

显式定义

由于按成员复制没有达到预期的效果，我们必须明确定义复制构造函数和复制赋值运算符来对字符数组进行深度复制：

// 1. copy constructor
person(const person& that)

    name = new char[strlen(that.name) + 1];
    strcpy(name, that.name);
    age = that.age;


// 2. copy assignment operator
person& operator=(const person& that)

    if (this != &that)
    
        delete[] name;
        // This is a dangerous point in the flow of execution!
        // We have temporarily invalidated the class invariants,
        // and the next statement might throw an exception,
        // leaving the object in an invalid state :(
        name = new char[strlen(that.name) + 1];
        strcpy(name, that.name);
        age = that.age;
    
    return *this;

注意初始化和赋值的区别： 我们必须在分配给name 之前拆除旧状态，以防止内存泄漏。 此外，我们必须防止x = x 形式的自我分配。 如果没有该检查，delete[] name 将删除包含 source 字符串的数组， 因为当你写x = x时，this->name和that.name都包含相同的指针。

异常安全

很遗憾，如果new char[...] 由于内存耗尽而引发异常，此解决方案将失败。 一种可能的解决方案是引入一个局部变量并重新排序语句：

// 2. copy assignment operator
person& operator=(const person& that)

    char* local_name = new char[strlen(that.name) + 1];
    // If the above statement throws,
    // the object is still in the same state as before.
    // None of the following statements will throw an exception :)
    strcpy(local_name, that.name);
    delete[] name;
    name = local_name;
    age = that.age;
    return *this;

这也可以在没有明确检查的情况下处理自分配。 这个问题的一个更强大的解决方案是copy-and-swap idiom， 但我不会在这里详细介绍异常安全。 我只提到例外是为了说明以下几点：编写管理资源的类很难。

不可复制的资源

某些资源不能或不应该被复制，例如文件句柄或互斥体。 在这种情况下，只需将复制构造函数和复制赋值运算符声明为 private 而不给出定义：

private:

    person(const person& that);
    person& operator=(const person& that);

或者，您可以从 boost::noncopyable 继承或将它们声明为已删除（在 C++11 及更高版本中）：

person(const person& that) = delete;
person& operator=(const person& that) = delete;

三法则

有时您需要实现一个管理资源的类。 （永远不要在一个类中管理多个资源， 这只会导致痛苦。） 在这种情况下，请记住三法则：

如果您需要显式声明析构函数， 自己复制构造函数或复制赋值运算符， 您可能需要明确声明所有三个。

（不幸的是，C++ 标准或我知道的任何编译器都没有强制执行此“规则”。）

五法则

从 C++11 开始，对象有 2 个额外的特殊成员函数：移动构造函数和移动赋值。实现这些功能的五态规则也是如此。

签名示例：

class person

    std::string name;
    int age;

public:
    person(const std::string& name, int age);        // Ctor
    person(const person &) = default;                // 1/5: Copy Ctor
    person(person &&) noexcept = default;            // 4/5: Move Ctor
    person& operator=(const person &) = default;     // 2/5: Copy Assignment
    person& operator=(person &&) noexcept = default; // 5/5: Move Assignment
    ~person() noexcept = default;                    // 3/5: Dtor
;

零法则

3/5 规则也称为 0/3/5 规则。规则的零部分规定，在创建类时，您可以不编写任何特殊成员函数。

建议

大多数时候，您不需要自己管理资源， 因为诸如std::string 之类的现有课程已经为您完成了。 只需使用std::string 成员比较简单代码 对于使用char* 的复杂且容易出错的替代方案，您应该被说服。 只要您远离原始指针成员，三法则就不太可能涉及您自己的代码。

【讨论】：

Fred，如果 (A) 你不会在可复制代码中拼出错误实现的赋值并添加一个说明它错误的注释并在细则中查看其他地方，我会对我的投票感觉更好；要么在代码中使用 c&s 要么跳过实现所有这些成员 (B) 你会缩短前半部分，这与 RoT 无关； (C) 你会讨论引入移动语义以及这对 RoT 意味着什么。

但是我认为帖子应该是 C/W。我喜欢你保持这些术语大部分准确（即你说“copy assignment operator”，并且你没有进入一个常见的陷阱，即赋值不能暗示一个副本）。跨度>

@Prasoon：我不认为删掉一半的答案会被视为对非 CW 答案的“公平编辑”。

如果你为 C++11 更新你的帖子会很棒（即移动构造函数/赋值）

@solalito 使用后必须释放的任何东西：并发锁、文件句柄、数据库连接、网络套接字、堆内存...

【参考方案2】：

Rule of Three 是 C++ 的经验法则，基本上是说

如果你的班级需要任何一个

一个复制构造函数， 一个赋值运算符， 或析构函数，

明确定义，那么很可能需要全部三个。

原因是它们三个通常都用于管理资源，如果你的类管理资源，它通常需要管理复制和释放。

如果复制类管理的资源没有良好的语义，则考虑通过将复制构造函数和赋值运算符声明为（不是defining）private 来禁止复制。

（请注意，即将发布的新版 C++ 标准（即 C++11）为 C++ 添加了移动语义，这可能会改变三法则。但是，我对此知之甚少，无法编写 C+ +11 关于三法则的部分。）

【讨论】：

防止复制的另一种解决方案是（私下）从无法复制的类（如boost::noncopyable）继承。它也可以更清晰。我认为 C++0x 和“删除”函数的可能性在这里会有所帮助，但忘记了语法：/

@Matthieu：是的，这也有效。但是除非noncopyable 是标准库的一部分，否则我不认为这是一个很大的改进。 （哦，如果你忘记了删除语法，那你就忘记了我所知道的更多。:)）

@Daan：见this answer。但是，我建议坚持使用Martinho 的Rule of Zero。对我来说，这是过去十年创造的 C++ 最重要的经验法则之一。

Martinho 的零规则现在更好（没有明显的广告软件接管）位于 archive.org

【参考方案3】：

三大定律如上。

一个简单的例子，用简单的英语，它解决了什么样的问题：

非默认析构函数

您在构造函数中分配了内存，因此您需要编写一个析构函数来删除它。否则会导致内存泄漏。

您可能认为这已经完成了。

问题是，如果对您的对象进行了复制，那么该副本将指向与原始对象相同的内存。

一旦其中一个删除了其析构函数中的内存，另一个将有一个指向无效内存的指针（这称为悬空指针），当它尝试使用它时，事情会变得很糟糕。

因此，您编写了一个复制构造函数，以便为新对象分配它们自己的内存块来销毁。

赋值运算符和复制构造函数

您在构造函数中为类的成员指针分配了内存。当你复制这个类的一个对象时，默认的赋值运算符和复制构造函数会将这个成员指针的值复制到新的对象中。

这意味着新对象和旧对象将指向同一块内存，因此当您在一个对象中更改它时，另一个对象也会更改。如果一个对象删除了这个内存，另一个对象将继续尝试使用它 - eek。

要解决这个问题，您需要编写自己版本的复制构造函数和赋值运算符。您的版本为新对象分配单独的内存并复制第一个指针指向的值而不是其地址。

【讨论】：

因此，如果我们使用复制构造函数，则复制是在完全不同的内存位置进行的，如果我们不使用复制构造函数，则复制是指向同一个内存位置的。这就是你想说的吗？因此，没有复制构造函数的副本意味着会有一个新指针存在但指向相同的内存位置，但是如果我们有用户明确定义的复制构造函数，那么我们将有一个单独的指针指向不同的内存位置但具有数据。

对不起，我很久以前就回复了这个，但我的回复似乎还没有在这里 :-( 基本上，是的 - 你明白了 :-)

【参考方案4】：

基本上，如果你有一个析构函数（不是默认析构函数），这意味着你定义的类有一些内存分配。假设该类被某些客户端代码或您在外部使用。

    MyClass x(a, b);
    MyClass y(c, d);
    x = y; // This is a shallow copy if assignment operator is not provided

如果 MyClass 只有一些基本类型的成员，则默认赋值运算符会起作用，但如果它有一些指针成员和没有赋值运算符的对象，则结果将是不可预测的。因此我们可以说，如果在类的析构函数中有要删除的东西，我们可能需要一个深拷贝操作符，这意味着我们应该提供一个拷贝构造函数和赋值操作符。

【参考方案5】：

复制一个对象是什么意思？ 有几种方法可以复制对象——让我们谈谈你最有可能指的 2 种——深拷贝和浅拷贝。

由于我们使用的是面向对象的语言（或者至少假设是这样），假设您分配了一块内存。由于它是一种面向对象语言，我们可以轻松地引用我们分配的内存块，因为它们通常是原始变量（整数、字符、字节）或我们定义的由我们自己的类型和原语组成的类。所以假设我们有一个 Car 类如下：

class Car //A very simple class just to demonstrate what these definitions mean.
//It's pseudocode C++/Javaish, I assume strings do not need to be allocated.

private String sPrintColor;
private String sModel;
private String sMake;

public changePaint(String newColor)

   this.sPrintColor = newColor;


public Car(String model, String make, String color) //Constructor

   this.sPrintColor = color;
   this.sModel = model;
   this.sMake = make;


public ~Car() //Destructor

//Because we did not create any custom types, we aren't adding more code.
//Anytime your object goes out of scope / program collects garbage / etc. this guy gets called + all other related destructors.
//Since we did not use anything but strings, we have nothing additional to handle.
//The assumption is being made that the 3 strings will be handled by string's destructor and that it is being called automatically--if this were not the case you would need to do it here.


public Car(const Car &other) // Copy Constructor

   this.sPrintColor = other.sPrintColor;
   this.sModel = other.sModel;
   this.sMake = other.sMake;

public Car &operator =(const Car &other) // Assignment Operator

   if(this != &other)
   
      this.sPrintColor = other.sPrintColor;
      this.sModel = other.sModel;
      this.sMake = other.sMake;
   
   return *this;

深拷贝是如果我们声明一个对象，然后创建一个完全独立的对象副本......我们最终会在 2 组完整的内存中得到 2 个对象。

Car car1 = new Car("mustang", "ford", "red");
Car car2 = car1; //Call the copy constructor
car2.changePaint("green");
//car2 is now green but car1 is still red.

现在让我们做一些奇怪的事情。假设 car2 要么编程错误，要么故意共享 car1 的实际内存。 （这样做通常是一个错误，并且在课堂上通常是它在下面讨论的毯子。）假装每当你询问 car2 时，你真的在​​解析指向 car1 内存空间的指针......这或多或少是一个浅拷贝是。

//Shallow copy example
//Assume we're in C++ because it's standard behavior is to shallow copy objects if you do not have a constructor written for an operation.
//Now let's assume I do not have any code for the assignment or copy operations like I do above...with those now gone, C++ will use the default.

 Car car1 = new Car("ford", "mustang", "red"); 
 Car car2 = car1; 
 car2.changePaint("green");//car1 is also now green 
 delete car2;/*I get rid of my car which is also really your car...I told C++ to resolve 
 the address of where car2 exists and delete the memory...which is also
 the memory associated with your car.*/
 car1.changePaint("red");/*program will likely crash because this area is
 no longer allocated to the program.*/

因此，无论您使用哪种语言编写，在复制对象时都要非常小心您的意思，因为大多数时候您想要一个深层副本。

什么是复制构造函数和复制赋值运算符？ 我已经在上面使用过它们。当您键入诸如Car car2 = car1; 之类的代码时，就会调用复制构造函数。本质上，如果您声明一个变量并在一行中对其进行赋值，那就是调用复制构造函数的时候。赋值运算符是使用等号时发生的情况 --car2 = car1;。注意car2 没有在同一个语句中声明。您为这些操作编写的两段代码可能非常相似。事实上，典型的设计模式有另一个函数，一旦你满意初始复制/分配是合法的，你就可以调用它来设置一切——如果你看一下我写的速记代码，这些函数几乎是相同的。

我什么时候需要自己申报？ 如果您不以某种方式编写要共享或用于生产的代码，那么您实际上只需要在需要它们时声明它们。如果您“偶然”选择使用它并且没有使用它，您确实需要知道您的程序语言会做什么 - 即你得到编译器的默认值。例如，我很少使用复制构造函数，但赋值运算符覆盖很常见。您知道您也可以覆盖加法、减法等的含义吗？

如何防止我的对象被复制？ 使用私有函数覆盖允许为对象分配内存的所有方式是一个合理的开始。如果您真的不希望人们复制它们，您可以将其公开并通过引发异常而不复制对象来提醒程序员。

【讨论】：

问题被标记为 C++。这个伪代码说明充其量只能说明明确定义的“三法则”，而最坏的情况只是散布混乱。

【参考方案6】：

我什么时候需要自己声明？

三法则规定，如果你声明任何一个

复制构造函数 复制赋值运算符 析构函数

那么你应该声明所有三个。它源于以下观察：接管复制操作含义的需要几乎总是源于执行某种资源管理的类，这几乎总是暗示

在一个复制操作中进行的任何资源管理都可能需要在另一个复制操作中完成，并且

类析构函数也将参与资源的管理（通常是释放它）。要管理的经典资源是内存，这就是为什么所有标准库类 管理内存（例如，执行动态内存管理的 STL 容器）都声明了“三巨头”：复制操作和析构函数。

三规则的结果是用户声明的析构函数的存在表明简单的成员明智复制不太可能适合类中的复制操作。反过来，这表明如果一个类声明了一个析构函数，则可能不应该自动生成复制操作，因为它们不会做正确的事情。在采用 C++98 的时候，这种推理的重要性还没有被完全理解，所以在 C++98 中，用户声明的析构函数的存在对编译器生成复制操作的意愿没有影响。在 C++11 中仍然如此，但这只是因为限制生成复制操作的条件会破坏太多遗留代码。

如何防止我的对象被复制？

将复制构造函数和复制赋值运算符声明为私有访问说明符。

class MemoryBlock

public:

//code here

private:
MemoryBlock(const MemoryBlock& other)

   cout<<"copy constructor"<<endl;


// Copy assignment operator.
MemoryBlock& operator=(const MemoryBlock& other)

 return *this;

;

int main()

   MemoryBlock a;
   MemoryBlock b(a);

在 C++11 之后，您还可以声明复制构造函数和赋值运算符已删除

class MemoryBlock

public:
MemoryBlock(const MemoryBlock& other) = delete

// Copy assignment operator.
MemoryBlock& operator=(const MemoryBlock& other) =delete
;


int main()

   MemoryBlock a;
   MemoryBlock b(a);

【参考方案7】：

许多现有答案已经涉及复制构造函数、赋值运算符和析构函数。 然而，在 C++11 之后，引入移动语义可能会将其扩展到 3 之外。

最近 Michael Claisse 做了一个涉及这个话题的演讲： http://channel9.msdn.com/events/CPP/C-PP-Con-2014/The-Canonical-Class

【参考方案8】：

C++中的三法则是设计和开发三个要求的基本原则，即如果以下成员函数之一有明确定义，则程序员应将其他两个成员函数一起定义。即以下三个成员函数是必不可少的：析构函数、复制构造函数、复制赋值运算符。

C++ 中的复制构造函数是一个特殊的构造函数。用于构建新对象，新对象相当于现有对象的副本。

复制赋值运算符是一种特殊的赋值运算符，通常用于将现有对象指定给其他同类型对象。

有一些简单的例子：

// default constructor
My_Class a;

// copy constructor
My_Class b(a);

// copy constructor
My_Class c = a;

// copy assignment operator
b = a;

【讨论】：

您好，您的回答没有添加任何新内容。其他人更深入，更准确地涵盖了该主题-您的答案是近似的，实际上在某些地方是错误的（即这里没有“必须”；它是“很可能应该”）。对于已经彻底回答的问题，发布这种答案真的不值得。除非你有新的东西要添加。

另外，还有四个快速示例，它们在某种程度上与三个两个相关/i> 三法则所说的。太混乱了。