【c++】类和对象（四）深入了解拷贝构造函数

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朋友们大家好啊，本篇内容带大家深入了解拷贝构造函数

目录

  • 1.拷贝构造函数
    • 1.1传值调用的无限调用
    • 1.2浅拷贝
    • 1.3深拷贝
    • 1.4深拷贝的实现

1.拷贝构造函数

拷贝构造函数是一种特殊的构造函数，在对象需要以同一类的另一个对象为模板进行初始化时被调用。它的主要用途是初始化一个对象，使其成为另一个对象的副本

我们先引用前面所用到的日期类的例子：

class Date
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1){_year = year;_month = month;_day = day;}
private:int _year;int _month;int _day;
};

简单来说，假如我现在定义了一个日期对象：

int main()
{Date d1(2005, 6, 23);return 0;
}

我需要定义一个d2，与我的d1的数据相同，如何定义呢？

方法如下：

int main()
{Date d1(2005, 6, 23);Date d2(d1);return 0;
}

这里用到了拷贝构造，那么拷贝函数是如何实现的呢？我们接下来来探讨一下

拷贝构造函数通常声明为接受一个对同一类对象的常量引用参数：

class ClassName {
public:ClassName(const ClassName& other);
};
  • 参数：const ClassName& other是对另一个同类型对象的引用，使用const确保不会无意中修改other。
  • 函数体：在函数体内部，你可以决定如何复制other对象的成员到新对象中。对于简单的情况，这可能仅仅是复制每个成员变量的值。对于涉及动态分配内存或其他资源的类，可能需要进行深拷贝

下面来探讨上述的Date类的实现

class Date
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1){_year = year;_month = month;_day = day;}Date(const Date& d){_year = d._year;_month = d._month;_day = d._day;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{Date d1(2005, 6, 23);Date d2(d1);return 0;
}

拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式,拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用,这个我们后面进行讲解

Date(const Date& d){_year = d._year;_month = d._month;_day = d._day;}

这里的d2就相当于this，d1就是另一个参数
在这里插入图片描述

1.1传值调用的无限调用

我们上面提到，拷贝构造函数参数只有一个且必须是类类型对象的引用，那么如果我使用传值调用会有什么结果呢？？

我们下面先来进行简单的铺垫

void fun1(Date d)
{}
void fun2(Date& rd)
{}
int main()
{Date d1(2005, 6, 23);fun1(d1);fun2(d1);return 0;
}

构造两个函数，他们的参数不同，第一个函数为传值传参，在c语言中我们知道，传值传参是一个拷贝的过程，即把d1的值拷贝给d，c++规定，自定义类型的拷贝，都会调用拷贝构造

我们进行调试
在这里插入图片描述

在这里按F11，我们目的是进入fun1，函数，这里却跳入拷贝构造函数
在这里插入图片描述
再按f11，才会进入fun1函数中
在这里插入图片描述
大概过程如下
在这里插入图片描述
传值传参需要调用拷贝构造

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
fun2函数可以直接进入
在这里插入图片描述

在上述讲解后，我们来探讨，如果拷贝函数是传值引用，会发生什么？

调用拷贝构造，需要传参，这里传值传参，就会调用一个新的拷贝构造

在这里插入图片描述
所以，这里也是我们为什么只能用引用传参

1.2浅拷贝

class Date
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1){_year = year;_month = month;_day = day;}void Print(){cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{Date d1(2005, 6, 23);Date d2(d1);d1.Print();d2.Print();return 0;
}

我们现在屏蔽掉拷贝构造，看会发生什么
在这里插入图片描述

若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。 默认的拷贝构造函数对象（内置类型成员）按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝

那如果有自定义类型呢？
我们看下面的代码：

class Time
{
public:Time(){_hour = 1;_minute = 1;_second = 1;}Time(const Time& t){_hour = t._hour;_minute = t._minute;_second = t._second;cout << "Time::Time(const Time&)" << endl;}
private:int _hour;int _minute;int _second;
};
class Date
{
private:// 基本类型(内置类型)int _year = 2024;int _month = 1;int _day = 1;// 自定义类型Time _t;
};
int main()
{Date d1;Date d2(d1);return 0;
}

在这个代码示例中，我们有两个类：Time 和 Date。Date 类中包含了一些基本类型的成员变量（_year, _month, _day）和一个自定义类型的成员变量（_t，一个 Time 类型的对象）。当创建 Date 类的对象时，不仅会初始化其基本类型的成员变量，也会调用其自定义类型成员的构造函数来初始化

函数的调用过程

  1. Date 对象的默认构造函数调用：当 Date 类的对象被创建时，它的默认构造函数（编译器自动生成的，因为没有显式定义）会被调用。由于成员变量 _year, _month, _day 在类定义中已经被直接初始化，编译器将这些初始化纳入默认构造函数的操作中。

  2. Time 成员的构造函数调用：在 Date 的构造函数执行过程中，会自动调用 _t（Time 类型的成员变量）的默认构造函数来初始化 _t。Time 的默认构造函数设置 _hour, _minute, _second 为 1，并不打印任何信息。

  3. 拷贝 Date 对象：当 Date d2(d1); 执行时，d2 是通过拷贝构造函数初始化的。因为 Date 类没有显式定义拷贝构造函数，编译器会为它生成一个默认的拷贝构造函数。这个默认的拷贝构造函数会逐个拷贝 Date 类中的所有成员变量，包括基本类型和自定义类型的成员。

    • 对于基本类型成员（如 _year, _month, _day），直接进行值的复制
    • 对于自定义类型的成员（_t），会调用该成员的拷贝构造函数（Time 类中定义的 Time(const Time&)）来进行拷贝。在这个过程中，Time 的拷贝构造函数会输出信息：Time::Time(const Time&)

因此，在执行 Date d2(d1); 时，调用过程如下：

  1. 首先，调用 Date 的默认拷贝构造函数（自动生成）来初始化 d2。
  2. 在初始化 d2 的过程中，对于其自定义类型成员 _t，调用 Time 的拷贝构造函数来初始化，此时会输出 Time::Time(const Time&)。

这就是自定义类型成员在 Date 类拷贝过程中构造函数的调用情况，其他的基本类型成员变量则是通过简单的值复制来初始化的

在编译器生成的默认拷贝构造函数中，内置类型是按照字节方式直接拷贝的，而自定义类型是调用其拷贝构造函数完成拷贝的

如果我们删掉Time的默认的拷贝构造函数呢？

class Time
{
public:Time(const Time& t){_hour = t._hour;_minute = t._minute;_second = t._second;cout << "Time::Time(const Time&)" << endl;}
private:int _hour;int _minute;int _second;
};
class Date
{
private:// 基本类型(内置类型)int _year = 2024;int _month = 1;int _day = 1;// 自定义类型Time _t;
};
int main()
{Date d1;Date d2(d1);return 0;
}

拷贝构造本身就是一种构造函数，所以编译器不会生成默认构造函数

在这个代码中，由于 Time 类中没有显式定义一个无参数的默认构造函数（只定义了一个拷贝构造函数），而 Date 类的实现依赖于 Time 类的这个默认构造函数来初始化其 _t 成员，所以编译器将尝试调用 Time 类的默认构造函数时会失败，因为找不到合适的构造函数来初始化 _t

当尝试创建 Date 类的实例 d1 时，Date 类的默认构造函数（由编译器隐式生成）会被调用。默认构造函数会尝试初始化所有成员变量，对于基本类型的成员变量 _year,_month, _day，由于它们已经在类定义中直接初始化，不会有问题。但对于 _t（Time 类型的成员变量），编译器需要调用 Time 类的默认构造函数来初始化它。由于 Time类中没有定义无参数的默认构造函数，编译过程中会出现错误

当尝试通过拷贝构造函数创建 d2 时（Date d2(d1);），同样会遇到问题。虽然 Date 类的拷贝构造函数（编译器自动生成的）会尝试逐个拷贝所有成员变量，对于 _t，它会尝试调用 Time类的拷贝构造函数，这部分没有问题。但在创建 d1 时已经失败，因此这一步也无法成功执行

c++也可以加入这串代码进行强制生成：

Time() = default;

1.3深拷贝

如果你没有为类显式定义拷贝构造函数，C++编译器会自动生成一个默认的拷贝构造函数。默认拷贝构造函数会逐个复制对象的所有成员（浅拷贝）。对于基本数据类型和指向动态分配内存的指针成员，这意味着只复制指针值而不复制指针指向的数据

我们来看下面的代码：

typedef int DataType;
class Stack
{
public:Stack(size_t capacity = 10){_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_size = 0;_capacity = capacity;}void Push(const DataType& data){// CheckCapacity();_array[_size] = data;_size++;}~Stack(){if (_array){free(_array);_array = nullptr;_capacity = 0;_size = 0;}}
private:DataType* _array;size_t _size;size_t _capacity;
};
int main()
{Stack s1;s1.Push(1);s1.Push(2);s1.Push(3);s1.Push(4);Stack s2(s1);return 0;
}

我们没有提供拷贝构造函数，编译器默认提供，我们来看运行结果：
在这里插入图片描述
程序崩溃，我们进行调试观察
在这里插入图片描述
当通过 Stack s2(s1); 这样的语句创建一个 Stack 类的对象时，如果没有显式定义拷贝构造函数，C++ 编译器会提供一个默认的拷贝构造函数，它进行浅拷贝。这意味着 _array 指针的值被复制过来，但指向的内存空间没有被复制。这会导致多个对象共享同一块内存空间，进而导致双重释放等问题

在这里插入图片描述

类中如果没有涉及资源申请时，拷贝构造函数是否写都可以；一旦涉及到资源申请时，则拷贝构造函数是一定要写的，否则就是浅拷贝

  • **浅拷贝（Shallow Copy）**只复制对象的顶层结构，如果对象中包含指针指向动态分配的内存，则副本的这些指针将指向与原始对象相同的内存地址。这意味着两个对象共享部分资源。浅拷贝通常是通过默认的拷贝构造函数和赋值操作符实现的
  • 深拷贝则复制对象所有的层级结构。对于对象内部的每一个指针指向的内存，深拷贝都会在堆上分配新的内存，然后将原始数据复制到这块新分配的内存中。这样，原始对象和副本对象将拥有完全独立的数据副本

1.4深拷贝的实现

深拷贝需要我们手动实现，对于上述的代码，我们需要手动补充，于对象内部的每个指向动态分配内存的指针，都需要：

  1. 为副本分配新的内存空间。
  2. 将原始对象指针指向的数据复制到新分配的内存中：
typedef int DataType;
class Stack
{
public:Stack(size_t capacity = 10){_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));if (nullptr == _array){perror("malloc申请空间失败");return;}_size = 0;_capacity = capacity;}//注意，这里s2是this，s是s1Stack(const Stack& s){DataType* tmp == (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * s._capacity);if (tmp = nullptr){perror("malloc fail");exit(-1);}memcpy(tmp, s._array, sizeof(DataType) * s._size);_array = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;}void Push(const DataType& data){// CheckCapacity();_array[_size] = data;_size++;}~Stack(){if (_array){free(_array);_array = nullptr;_capacity = 0;_size = 0;}}
private:DataType* _array;size_t _size;size_t _capacity;
};
int main()
{Stack s1;s1.Push(1);s1.Push(2);s1.Push(3);s1.Push(4);Stack s2(s1);return 0;
}

//注意，这里s2是this，s是s1Stack(const Stack& s){DataType* tmp = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * s._capacity);if (tmp == nullptr){perror("malloc fail");exit(-1);}memcpy(tmp, s._array, sizeof(DataType) * s._size);_array = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;}

这个拷贝构造函数的主要功能是创建一个新的 Stack 对象，该对象是对现有 Stack 对象（称为 s）的深拷贝。深拷贝意味着新对象将拥有与原对象相同的数据副本，但这些数据存储在新分配的内存中。这样，两个对象的状态互不影响，修改一个对象的内容不会影响另一个

  • 内存分配：
    使用 malloc 根据原栈 (s) 的容量 (_capacity) 分配足够的内存空间来存储数据副本。这里的内存大小是 s._capacity * sizeof(DataType)

  • 数据复制：
    使用 memcpy 将原栈 (s) 的数据 _array 复制到新分配的内存 tmp 中。复制的长度是 s._size * sizeof(DataType)，即仅复制原栈中实际存在的元素

  • 更新成员变量：
    将新栈的 _array 指针更新为指向新分配的内存 tmp。
    将新栈的 _size 和 _capacity 设置为与原栈 (s) 相同的值。这样保证了新栈在逻辑上与原栈完全相同，拥有相同数量的元素和相同的容量

在这里插入图片描述
这下我们的问题也就解决了
在这里插入图片描述

class myqueue {private:Stack st1;Stack st2;
};
int main()
{myqueue q1;myqueue q2(q1);return 0;
}

有一个 Stack 类，它实现了一个简单的栈，并提供了深拷贝功能。然后，创建一个 myqueue 类，它内部使用了两个 Stack 实例。在 main 函数中，创建了一个 myqueue 对象 q1 并尝试使用 q1 来初始化另一个 myqueue 对象 q2。这里的关键点在于理解 Stack 的深拷贝实现如何影响 myqueue 对象的复制行为

  • myqueue 类及其复制行为
    myqueue 类内部包含两个 Stack 对象：st1 和 st2。当使用一个 myqueue 对象来初始化另一个（如 myqueue q2(q1);）时，myqueue 的隐式（或默认）拷贝构造函数被调用。C++ 默认的拷贝构造函数会逐个复制类的成员，使用各成员自己的拷贝构造函数。因此，q1 中的 st1 和 st2 会使用它们各自的深拷贝构造函数来初始化 q2 中的 st1 和 st2

由于 Stack 类已经提供了深拷贝的实现，myqueue 类中的 st1 和 st2 成员在 myqueue
对象被复制时也会被深拷贝。这意味着 q1 和 q2 中的 st1 和 st2 在内存上是独立的：q1.st1 和
q2.st1 指向不同的内存区域，q1.st2 和 q2.st2 同理。因此，q1 和 q2
在逻辑上是完全独立的队列，它们内部的栈互不影响

  • 隐式拷贝构造函数：myqueue 类在这段代码中并没有显式定义自己的拷贝构造函数。它依赖于 C++ 自动生成的默认拷贝构造函数来正确地复制其成员。这在 Stack 提供深拷贝的情况下是安全的

在这里插入图片描述
本篇内容到此结束，感谢大家观看！！！！

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