c++对象模型构造函数、拷贝构造和拷贝复制

亦凉 2024-03-16 23:16 52阅读 0赞

## default constructor ##

*  default constructor只有在被编译器需要时，才会被合成出来，且合成出的constructor只执行编译器所需要的行动(并不对成员初始化)

### 含有default constructor的member class object ###

*  在c++各个不同的编译模块（文件）中，编译器将合成的default constructor、copy constructor、destructor、assignment copy operator都用inline方式完成来避免合成多个default constructor
 *  若一个class没有任何constructor，而其内含的member object有default constructor，编译器则需要为此class合成default constructor

//B内含A
    class A {
        public:
        	A();
        	A(int);
        ...
    }
    
    class B{
        public:
        B a;
        char* str;
    }
    
    //由于A有default constructor,而B内含A且B没有任何constructor,因此编译器需要为B合成一个default constructor,让其来调用A的default constructor处理B::a
    
    //此处B中被合成的default constructor样子
    inline
    B::B()
    {
        a.A::A();
    }

*  若class B中内含有一个及以上的member class objects，那么class B中的每一个constructor必须调用每一个member class的default constructor；如果是多个，编译器安插代码，会按照member objects在class中声明顺序来调用对应的constructor。因此，编译器会扩张已存在的constructor，在其中安插必要代码，使其先调用member class的default constructor
    
        //若我们为B写一个default constructor让其初始化str
        B::B() { str = 0; };
        
        //此时会出现一个问题，那就是B中已经存在一个我们写的default constructor,编译器不能为其再合成一个,那么我们便没法调用a的constructor。
        //此时，编译器会扩张已存在的constructor，在其中安插必要代码，使其先调用member class的default constructor
        
        //扩张后的B的default constructor内部结构
        B::B()
        {
            a.A::A();
            str = 0;
        }

### 含有default constructor 的 base class ###

*  一个没有任何constructor的class派生自含有default constructor的base class，编译器会调用上层的default constructor，为derived class合成default constructor；若base class含有许多constructors，但没有default constructor，编译器会扩张每一个constructor，安插必要代码，以此调用必要的default constructor。因为存在其他constructors，并不会合成default constructor

### 含有virtual functions的 class ###

class A
    {
        public:
        	virtual void do() = 0;
    }
    
    void do( const A& a ) { a.do(); };
    
    void act()
    {
        //B和C派生自A
        B b;
        C c;
        
        do( b );
        do( c );
    }

*  此时编译器会产生两个扩张行为：
    
     *  virtual function table被编译器产出，其中存放virtual functions地址
     *  每一个class object中，vptr会被编译器合成，内含与之相关的vtbl地址
 *  并且，a.do()的virtual invocation会被改写
    
        //原本a.do()
        ( *a.vptr[1] )( &a )
    
     *  1表示do()在vtbl中的固定索引
     *  &a表示交给被调用的do()实例的this指针
 *  为了让以上机制发挥效果，编译器必须为base和其derived class object的vpty设定初值，指向相关的virtual table地址。这样的任务会交给constructor做扩张

### 含有virtual base class的class ###

*  由于在编译期时，virtual base class在每一个derived class object内存布局中位置不能够确定，因此编译器需要合成default constructor，在derived class object中的每一个virtual base classes中安插一个指针，以此确定其位置

## copy constructor ##

### default memberwise initialization ###

*  以下三种情况会以一个object的内容作为另一个class object的初值：
    
     *  显示地以一个object内容作为另一个class object的初值
     *  object被当做参数传给某函数
     *  函数传回class object
        
            //第一种
            class A {...};
            A a;
            
            A aa = a;
            
            //第二种
            void do1( A a );
            
            void do2()
            {
                A aa;
                
                foo(aa);
            }
            
            //第三种
            A do3()
            {
                A a;
                return a;
            }
 *  若一个class object没有explict copy constructor，而当class object以相同的class的另一个object作为初值时，此class object内部会把每一个内部或derived的data member的值，从另一个object拷贝一份到自己这，再以递归的方式进行**memberwise initialization**，但它并不拷贝member class object
 *  memberwise initialization这一机制由bitwise copy semantics和default copy constructor实现，当class不展现bitwise copy semantics，编译器才会合成default copy constructor
 *  位拷贝（浅拷贝/bitwise copy semantics）：编译器只是直接将data member的值或指针的值拷贝过来，并不拷贝member class object；也就是说这会导致多个指针指向同一对象

### 不展现bitwise copy semantics ###

*  以下四种情况不会展现bitwise copy semantics：
    
     *  class内含member object，而后者的class声明了copy constructor
     *  class继承自base class，而base class声明了copy constructor
     *  class声明一个及以上virtual functions
     *  class派生自一个继承串链，其中含有一个及以上virtual base classes

### 对于第一、第二种情况 ###

*  若class展现了bitwise copy semantics且该class并没有explict copy constructor，此时编译器不会合成copy constructor
    
        //以下这种情况，因为展现出了bitwise copy semantics，因此编译器并不会合成copy constructor
        class A
        {
            public:
            ...//不包含explict copy constructor
            A(const char*);
            ~A();
                
            private:
            	int val;
            	char* str;
        }
        
        A a("example")
        void do()
        {
            A aa = a;
        }
        
        //以下这种情况，因为biewise copy semantics无法调用内部class object的copy constructor，因此编译器需要合成一个copy constructor来调用
        class A
        {
            public:
            	A(const String&);
            	~A();
            
            private:
            	int val;
            	String str;
        }
        
        class String
        {
            public:
            	String(const char*);
            	String(const String&);
            	~String();
        }

### 对于第三、第四种情况 ###

*  对于声明了virtual functions的class，编译器都会在编译器为其进行扩张，分别生成一个vptr和一个vtbl。此时用一个新的class类型object赋值给前一个class，bitwise copy semantics不在起作用，不然编译器设定的vptr并不是正确的，此时编译器需要合成default copy constructor。然而，对于一样的class object，bitwise copy semantics依然生效（除开pointer member）
    
        //以下这种情况bitwise copy semantics依然生效，两个class AA实例的vptr将指向同一vtbl
        class A
        {
        public:
            A();
            ~A();
            virtual void do1();
        private:
            //需要的变量
        }
        
        class AA : public A
        {
        public:
            AA();
            void do1() override; 
            virtual do2();
        private:
            //需要的变量
        }
        
        void test()
        {
            AA aa;
            AA aa1 = aa;
        }
        
        //以下这种情况，两个类型的class object的vptr将指向各自相关的vtbl
        A a = aa;
 *  一个class object如果以另一个含有virtual base class subobject作为初值，bitwise copy semantics会失效，因为virtual base class subobject的位置不确定，bitwise copy semantics会破坏这个位置，维护这个位置由编译器完成，因此需要由编译器合成default copyconstructor做出应对行为

## program transformation semantics ##

### explict initialization ###

有这样一段代码：

class X{...};	//定义了copy constructor
    
    X x;
    
    void do()
    {
        X x1(x);
        X x2 = x;
        X x3 = X(x);
    }

*  上面的初始化操作将进行两个必要的可能的程序转化：
    
     *  重写每一个定义(占用内存)，初始化操作剥除
     *  安插class的copy constructor
    
        //转化后
        //可能的转换，不同编译器进行的事儿不同
        void do()
        {
            X x1;
            X x2;
            X x3;
            
            x1.X::X(x);
            x2.X::X(x);
            x3.X::X(x);
        }

### argument initialization ###

void do( X x );
    
    X x1;
    do(x1);

*  以上代码进行argument initialization，函数会让local instance x 用memberwise将x1当作初值
 *  而对于不同的编译器，这一过程有不同的实现方法：
    
     *  导入临时object，调用copy constructor：
        
            //需要更改argument，不然需要多进行一次bitwise
            void do( X& x );
            
            //编译器产生的临时object
            X _tempx;	
            _tempx.X::X(x1);
            do( _tempx );

### return value initialization ###

X do()
    {
        X xx;
        ...
        return xx;
    }

*  对于以上函数的返回值object，采用两步将局部对象xx拷贝而来：
    
     *  为函数加一个一个class object 的reference的额外参数，用来放置copy construct的返回值
     *  在return前安插copy constructor调用操作，将传回的object的内容作新增参数的初值
     *  这种方法又被称为named return value(NRV)优化
        
            void do( X& _result )
            {
                X xx;
                
                xx.X::X();
                
                _result.X::X( xx );
                
                return;
            }
            
            //do()的操作调用也随之改变
            X x1 = do();
            //转为
            X x1;
            do(x1);
 *  NRV优化的缺点：
    
     *  优化由编译器进行，因此这种优化是否完成，我们并不知道
     *  随着函数变得越来越复杂，优化会越来越难施行

是否需要copy constructor?

*  对于没有member或base class objects带有copy constructor，以及没有virtual base class 或 virtual function的class，并不需要copy constructor，此时memberwise即可满足要求，效率即可也安全，并不会导致memory leak，也没有address aliasing。再者，对于这类class，使用memcpy()会更有效率
    
        class point3d
        {
            public:
            	point3d( float x, float y, float z );
            
            private:
            	float _x, _y, _z;
        }
        
        //此时class的copy constructor这样执行更有效率
        point3d::point3d( const point3d& rhs )
        {
            memcpy( this, &rhs, sizeof(point3d) );
        };

## member initialization list ##

*  member initialization list不是一组函数调用，编译器安照member在class中的声明顺序一一操作member initialization list，且在任何user code前，以适当顺序在constructor中安插初始化操作
 *  对于以下四种情况，为保证程序顺利编译，必须使用member initialization list：
    
     *  初始化reference member
     *  初始化const member
     *  调用base class 的constructor，而它含有一组参数
     *  调用member class的constructor，而它含有一组参数
 *  以下情况编译可以通过，但效率并不高

class A()
    {
        String _name;
        int _value;
     	
    public:
        A()
        {
            _name = 0;
            _value = 0;
        }
    }
    
    //此时A constructor会产生一个临时object，再将其初始化，随后以assignment运算符将临时Object传递给_name，最后摧毁临时object
    //以下是扩张
    A::A()
    {
        _name.String::String();
        
        String temp = String(0);
        
        //memberwise拷贝
        _name.String::operator=(temp);
        
        temp.String::~String();
        
        _value = 0;
    }

*  对此进行修改
    
        //运用member initialization list
        A::A : _name(0)
        {
            _cnt = 0;
        }
        
        //如下扩张
        A::A()
        {
            _name.String::String(0);
            _value = 0;
        }
 *  若不注意初始化顺序和member initialization list的排列顺序，可能会出现以下错误：
    
        class B
        {
            int i;
            int j;
        public:
            B(int val) : j(val), i(j)
            {
                
            }
        };
        
        //执行顺序 i = j; j = val;
 *  以上程序改善：将一个member的初始化操作放在constructor
    
        B::B(int val) : j(val)
        {
            i = j;
        }
 *  对于member function，请不要使用member initialization list将member function作为另一个对象的初值，因为并不知道member function对class object依赖性，因此需要将其放于constructor