对深拷贝与浅拷贝的再次理解

时间:2022-06-03 21:25:58

http://blog.csdn.net/feitianxuxue/article/details/9275979



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:

[c-sharp] view plain copy
  1. int a = 100;  
  2. 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。

[c-sharp] view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. using namespace std;  
  3.   
  4. class CExample {  
  5. private:  
  6.      int a;  
  7. public:  
  8.       //构造函数  
  9.      CExample(int b)  
  10.      { a = b;}  
  11.   
  12.       //一般函数  
  13.      void Show ()  
  14.      {  
  15.         cout<<a<<endl;  
  16.       }  
  17. };  
  18.   
  19. int main()  
  20. {  
  21.      CExample A(100);  
  22.      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  
  23.       B.Show ();  
  24.      return 0;  
  25. }  

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。

[c-sharp] view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. using namespace std;  
  3.   
  4. class CExample {  
  5. private:  
  6.     int a;  
  7. public:  
  8.     //构造函数  
  9.     CExample(int b)  
  10.     { a = b;}  
  11.       
  12.     //拷贝构造函数  
  13.     CExample(const CExample& C)  
  14.     {  
  15.         a = C.a;  
  16.     }  
  17.   
  18.     //一般函数  
  19.     void Show ()  
  20.     {  
  21.         cout<<a<<endl;  
  22.     }  
  23. };  
  24.   
  25. int main()  
  26. {  
  27.     CExample A(100);  
  28.     CExample B = A; // CExample B(A); 也是一样的  
  29.      B.Show ();  
  30.     return 0;  
  31. }   

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

[c-sharp] view plain copy
  1. class CExample   
  2. {  
  3. private:  
  4.  int a;  
  5.   
  6. public:  
  7.  //构造函数  
  8.  CExample(int b)  
  9.  {   
  10.   a = b;  
  11.   cout<<"creat: "<<a<<endl;  
  12.  }  
  13.   
  14.  //拷贝构造  
  15.  CExample(const CExample& C)  
  16.  {  
  17.   a = C.a;  
  18.   cout<<"copy"<<endl;  
  19.  }  
  20.    
  21.  //析构函数  
  22.  ~CExample()  
  23.  {  
  24.   cout<< "delete: "<<a<<endl;  
  25.  }  
  26.   
  27.      void Show ()  
  28.  {  
  29.          cout<<a<<endl;  
  30.      }  
  31. };  
  32.   
  33. //全局函数,传入的是对象  
  34. void g_Fun(CExample C)  
  35. {  
  36.  cout<<"test"<<endl;  
  37. }  
  38.   
  39. int main()  
  40. {  
  41.  CExample test(1);  
  42.  //传入对象  
  43.  g_Fun(test);  
  44.   
  45.  return 0;  
  46. }  

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

[c-sharp] view plain copy
  1. class CExample   
  2. {  
  3. private:  
  4.  int a;  
  5.   
  6. public:  
  7.  //构造函数  
  8.  CExample(int b)  
  9.  {   
  10.   a = b;  
  11.  }  
  12.   
  13.  //拷贝构造  
  14.  CExample(const CExample& C)  
  15.  {  
  16.   a = C.a;  
  17.   cout<<"copy"<<endl;  
  18.  }  
  19.   
  20.      void Show ()  
  21.      {  
  22.          cout<<a<<endl;  
  23.      }  
  24. };  
  25.   
  26. //全局函数  
  27. CExample g_Fun()  
  28. {  
  29.  CExample temp(0);  
  30.  return temp;  
  31. }  
  32.   
  33. int main()  
  34. {  
  35.  g_Fun();  
  36.  return 0;  
  37. }  

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;

[c-sharp] view plain copy
  1. CExample A(100);  
  2. CExample B = A;   
  3. // 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:

[c-sharp] view plain copy
  1. Rect::Rect(const Rect& r)  
  2. {  
  3.     width = r.width;  
  4.     height = r.height;  
  5. }  
 
    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:
[c-sharp] view plain copy
  1. class Rect  
  2. {  
  3. public:  
  4.     Rect()      // 构造函数,计数器加1  
  5.     {  
  6.         count++;  
  7.     }  
  8.     ~Rect()     // 析构函数,计数器减1  
  9.     {  
  10.         count--;  
  11.     }  
  12.     static int getCount()       // 返回计数器的值  
  13.     {  
  14.         return count;  
  15.     }  
  16. private:  
  17.     int width;  
  18.     int height;  
  19.     static int count;       // 一静态成员做为计数器  
  20. };  
  21.   
  22. int Rect::count = 0;        // 初始化计数器  
  23.   
  24. int main()  
  25. {  
  26.     Rect rect1;  
  27.     cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;  
  28.   
  29.     Rect rect2(rect1);   // 使用rect1复制rect2,此时应该有两个对象  
  30.      cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;  
  31.   
  32.     return 0;  
  33. }  

输出1,1  


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

[c-sharp] view plain copy
  1. class Rect  
  2. {  
  3. public:  
  4.     Rect()      // 构造函数,计数器加1  
  5.     {  
  6.         count++;  
  7.     }  
  8.     Rect(const Rect& r)   // 拷贝构造函数  
  9.     {  
  10.         width = r.width;  
  11.         height = r.height;  
  12.         count++;          // 计数器加1  
  13.     }  
  14.     ~Rect()     // 析构函数,计数器减1  
  15.     {  
  16.         count--;  
  17.     }  
  18.     static int getCount()   // 返回计数器的值  
  19.     {  
  20.         return count;  
  21.     }  
  22. private:  
  23.     int width;  
  24.     int height;  
  25.     static int count;       // 一静态成员做为计数器  
  26. };  

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:

[c-sharp] view plain copy
  1. class Rect  
  2. {  
  3. public:  
  4.     Rect()      // 构造函数,p指向堆中分配的一空间  
  5.     {  
  6.         p = new int(100);  
  7.     }  
  8.     ~Rect()     // 析构函数,释放动态分配的空间  
  9.     {  
  10.         if(p != NULL)  
  11.         {  
  12.             delete p;  
  13.         }  
  14.     }  
  15. private:  
  16.     int width;  
  17.     int height;  
  18.     int *p;     // 一指针成员  
  19. };  
  20.   
  21. int main()  
  22. {  
  23.     Rect rect1;  
  24.     Rect rect2(rect1);   // 复制对象  
  25.     return 0;  
  26. }  

    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:

 对深拷贝与浅拷贝的再次理解

 

    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:

对深拷贝与浅拷贝的再次理解

 

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,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:

[c-sharp] view plain copy
  1. class Rect  
  2. {  
  3. public:  
  4.     Rect()      // 构造函数,p指向堆中分配的一空间  
  5.     {  
  6.         p = new int(100);  
  7.     }  
  8.     Rect(const Rect& r)  
  9.     {  
  10.         width = r.width;  
  11.         height = r.height;  
  12.         p = new int;    // 为新对象重新动态分配空间  
  13.         *p = *(r.p);  
  14.     }  
  15.     ~Rect()     // 析构函数,释放动态分配的空间  
  16.     {  
  17.         if(p != NULL)  
  18.         {  
  19.             delete p;  
  20.         }  
  21.     }  
  22. private:  
  23.     int width;  
  24.     int height;  
  25.     int *p;     // 一指针成员  
  26. };  

此时,在完成对象的复制后,内存的一个大致情况如下:

 

对深拷贝与浅拷贝的再次理解

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。

[c-sharp] view plain copy
  1. // 防止按值传递  
  2. class CExample   
  3. {  
  4. private:  
  5.     int a;  
  6.   
  7. public:  
  8.     //构造函数  
  9.     CExample(int b)  
  10.     {   
  11.         a = b;  
  12.         cout<<"creat: "<<a<<endl;  
  13.     }  
  14.   
  15. private:  
  16.     //拷贝构造,只是声明  
  17.     CExample(const CExample& C);  
  18.   
  19. public:  
  20.     ~CExample()  
  21.     {  
  22.         cout<< "delete: "<<a<<endl;  
  23.     }  
  24.   
  25.     void Show ()  
  26.     {  
  27.         cout<<a<<endl;  
  28.     }  
  29. };  
  30.   
  31. //全局函数  
  32. void g_Fun(CExample C)  
  33. {  
  34.     cout<<"test"<<endl;  
  35. }  
  36.   
  37. int main()  
  38. {  
  39.     CExample test(1);  
  40.     //g_Fun(test); 按值传递将出错  
  41.       
  42.     return 0;  
  43. }   

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?

[c-sharp] view plain copy
  1. X::X(const X&);      
  2. X::X(X);      
  3. X::X(X&, int a=1);      
  4. 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.

[c-sharp] view plain copy
  1. X::X(const X&);  //是拷贝构造函数      
  2. X::X(X&, int=1); //是拷贝构造函数     
  3. 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。

[c-sharp] view plain copy
  1. class X {   
  2. public:         
  3.   X(const X&);      // const 的拷贝构造  
  4.   X(X&);            // 非const的拷贝构造  
  5. };  

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.

[c-sharp] view plain copy
  1. class X {      
  2. public:  
  3.   X();      
  4.   X(X&);  
  5. };      
  6.   
  7. const X cx;      
  8. 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。


    下面来看看类string的拷贝构造函数

[cpp] view plain copy
  1.   class String  
  2.   {  
  3.       public:  
  4.           String(const String &other);    //拷贝构造函数  
  5.       private:  
  6.           char *m_data;   //用于保存字符串  
  7.   };    
  8.     
  9.   String(const String &other)  
  10.   {     
  11.       int length = strlen(other.m_data);  
  12.       m_data = new char[length + 1];  
  13.       strcpy(m_data, other.m_data);  
  14. }   


 


    浅拷贝:也就是在对象复制时,只是对对象中的数据成员进行简单的赋值,如果对象中存在动态成员,即指针,浅拷贝就会出现问题,下面代码:

[cpp] view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2.   
  3. class A  
  4. {  
  5.     public:  
  6.         A()      // 构造函数,p指向堆中分配的一空间  
  7.         {  
  8.             m_data = new char(100);  
  9.             printf("默认构造函数\n");  
  10.         }  
  11.         ~A()     // 析构函数,释放动态分配的空间  
  12.         {  
  13.             if(m_data != NULL)  
  14.             {  
  15.                 delete m_data;  
  16.                 m_data = NULL;  
  17.                 printf("析构函数\n");  
  18.             }  
  19.         }  
  20.     private:  
  21.         char *m_data;     // 一指针成员  
  22. };  
  23.   
  24. int main()  
  25. {  
  26.     A a;  
  27.     A b(a);   // 复制对象  
  28.     return 0;  
  29. }  

运行结果:

*** glibc detected *** ./simple: double free or corruption (fasttop): 0x000000000c62a010 ***

分析:由于没有拷贝构造函数,走编译器默认的拷贝构造函数,A b(a); 进行对象析构时,会造成释放同一内存空间2次,导致内存泄露。

 

    深拷贝:对于深拷贝,针对成员变量存在指针的情况,不仅仅是简单的指针赋值,而是重新分配内存空间,如下:

[cpp] view plain copy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <string>  
  3.   
  4. class A  
  5. {  
  6.     public:  
  7.         A()      // 构造函数,p指向堆中分配的一空间  
  8.         {  
  9.             m_pdata = new char(100);  
  10.             printf("默认构造函数\n");  
  11.         }  
  12.   
  13.         A(const A& r)  
  14.         {  
  15.             m_pdata = new char(100);    // 为新对象重新动态分配空间  
  16.             memcpy(m_pdata, r.m_pdata, strlen(r.m_pdata));  
  17.             printf("copy构造函数\n");  
  18.         }  
  19.   
  20.         ~A()     // 析构函数,释放动态分配的空间  
  21.         {  
  22.             if(m_pdata != NULL)  
  23.             {  
  24.                 delete m_pdata;  
  25.                 printf("析构函数\n");  
  26.             }  
  27.         }  
  28.   
  29.     private:  
  30.         char *m_pdata;     // 一指针成员  
  31. };  
  32.   
  33. int main()  
  34. {  
  35.     A a;  
  36.     A b(a);   // 复制对象  
  37.     return 0;  
  38. }  


 

    下面是我在具体的应用中使用深拷贝的情况,现在把这个demo贴出来:

[cpp] view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. #include <errno.h>  
  3. #include <vector>  
  4. #include <stdio.h>  
  5.   
  6. using namespace std;  
  7.   
  8. /*存储记录信息的结构体*/  
  9. typedef struct _RECODER_VALUE_STRU  
  10. {  
  11.         int Id;  
  12.         int Age;  
  13. }RECODER_VALUE_STRU;  
  14.   
  15. class recorder  
  16. {  
  17.         public:  
  18.                 recorder()  
  19.                 {  
  20.                         m_stru_RecValue.Id = -1;  
  21.                         m_stru_RecValue.Age = -1;  
  22.                         m_pRecValue = &m_stru_RecValue;  
  23.   
  24.                         m_paddr = new char[100];  
  25.                         memset(m_paddr,0x00 ,100);  
  26.   
  27.                         printf("默认 construct recorder->&m_stru_RecValue: %x,\t m_pRecValue: %x\t m_paddr: %x\n", &m_stru_RecValue, m_pRecVa  
  28. lue, m_paddr);  
  29.                 }  
  30.   
  31.                 //拷贝构造函数  
  32. /*              recorder(const recorder &recorder) 
  33.                 { 
  34.                         m_stru_RecValue.Id = -1;        
  35.                         m_stru_RecValue.Age = -1; 
  36.                         m_stru_RecValue = recorder.m_stru_RecValue; 
  37.                         m_pRecValue = &m_stru_RecValue; 
  38.  
  39.                         m_paddr = new char[100]; 
  40.                         memset(m_paddr, 0x00 ,100); 
  41.                         memcpy(m_paddr, recorder.m_paddr, strlen(recorder.m_paddr)); 
  42.  
  43.                         printf("拷贝 construct recorder->&m_stru_RecValue: %x\t m_pRecValue: %x\t m_paddr: %x\n",&m_stru_RecValue, m_pRecValu 
  44. e, m_paddr); 
  45.                 } 
  46. */  
  47.                 //构造函数  
  48.                 recorder(int iId, int iAge)  
  49.                 {  
  50.                         m_stru_RecValue.Id = iId;  
  51.                         m_stru_RecValue.Age = iAge;  
  52.                         m_pRecValue = &m_stru_RecValue;  
  53.   
  54.                         m_paddr = new char[100];  
  55.                         memset(m_paddr, 0x00 ,100);  
  56.                         memcpy(m_paddr, &iAge, sizeof(int));  
  57.   
  58.                         printf("construct recorder->&m_stru_RecValue: %x \t m_pRecValue: %x\t m_paddr: %x\n", &m_stru_RecValue, m_pRecValue,  
  59. m_paddr);  
  60.                 }  
  61.   
  62.                 ~recorder()  
  63.                 {  
  64.                 //      cout<<"recorder 析构"<<endl;  
  65.                         /*if(m_paddr != NULL) 
  66.                         { 
  67.                                 delete m_paddr; 
  68.                                 m_paddr =NULL; 
  69.                         }*/  
  70.                 }  
  71.   
  72.         public:  
  73.                 RECODER_VALUE_STRU m_stru_RecValue;//存储记录信息的结构体   
  74.                 void* m_pRecValue;//每条记录的值  
  75.                 char *m_paddr;  
  76. };  
  77.   
  78. int main()  
  79. {  
  80.         cout <<"测试默认构造函数"<<endl<<endl;  
  81.         recorder btest;  
  82.         recorder btest1(btest);  
  83.   
  84.         printf("非参:btest ->&m_stru_RecValue: %x\t addr: %x\t m_paddr: %x\n",  &btest.m_stru_RecValue, btest.m_pRecValue,  btest.m_paddr);  
  85.         printf("非参:btest1->&m_stru_RecValue: %x\t addr: %x\t m_paddr: %x\n", &btest1.m_stru_RecValue, btest1.m_pRecValue, btest1.m_paddr);  
  86.   
  87.   
  88.         cout << endl<<"测试带参数的构造函数"<<endl<<endl;  
  89.   
  90.   
  91.         recorder btest2(1, 100);  
  92.         recorder btest3(btest2);  
  93.         printf("带参:btest2->m_stru_RecValue: %x\t m_pRecValue: %x\t, m_paddr: %x\n", &btest2.m_stru_RecValue, btest2.m_pRecValue, btest2.m_  
  94. paddr);  
  95.         printf("带参:btest3->m_stru_RecValue: %x\t m_pRecValue: %x\t, m_paddr: %x\n", &btest3.m_stru_RecValue, btest3.m_pRecValue, btest3.m_  
  96. paddr);  
  97.   
  98.   
  99.         return 0;  
  100. }