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C++拷贝构造函数(复制构造函数)详解

拷贝和复制是一个意思,对应的英文单词都是copy对于计算机来说,拷贝是指用一份原有的、已经存在的数据创建出一份新的数据,最终的结果是多了一份相同的数据。例如,将 Word 文档拷贝到U盘去复印店打印,将 D 盘的图片拷贝到桌面以方便浏览,将重要的文件上传到百度网盘以防止丢失等,都是「创建一份新数据」的意思。

C++ 中,拷贝并没有脱离它本来的含义,只是将这个含义进行了“特化”,是指用已经存在的对象创建出一个新的对象。从本质上讲,对象也是一份数据,因为它会占用内存。

严格来说,对象的创建包括两个阶段,首先要分配内存空间,然后再进行初始化:
  • 分配内存很好理解,就是在堆区、栈区或者全局数据区留出足够多的字节。这个时候的内存还比较“原始”,没有被“教化”,它所包含的数据一般是零值或者随机值,没有实际的意义。
  • 初始化就是首次对内存赋值,让它的数据有意义。注意是首次赋值,再次赋值不叫初始化。初始化的时候还可以为对象分配其他的资源(打开文件、连接网络、动态分配内存等),或者提前进行一些计算(根据价格和数量计算出总价、根据长度和宽度计算出矩形的面积等)等。说白了,初始化就是调用构造函数。

很明显,这里所说的拷贝是在初始化阶段进行的,也就是用其它对象的数据来初始化新对象的内存。

那么,如何用拷贝的方式来初始化一个对象呢?其实这样的例子比比皆是,string 类就是一个典型的例子。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void func(string str){
    cout<<str<<endl;
}

int main(){
    string s1 = "http://c.biancheng.net";
    string s2(s1);
    string s3 = s1;
    string s4 = s1 + " " + s2;
    func(s1);
    cout<<s1<<endl<<s2<<endl<<s3<<endl<<s4<<endl;
   
    return 0;
}
运行结果:
http://c.biancheng.net
http://c.biancheng.net
http://c.biancheng.net
http://c.biancheng.net
http://c.biancheng.net http://c.biancheng.net

s1、s2、s3、s4 以及 func() 的形参 str,都是使用拷贝的方式来初始化的。
对于 s1,表面上看起来是将一个字符串直接赋值给了 s1,实际上在内部进行了类型转换,将 const char * 类型转换为 string 类型后才赋值的,这点我们将在《C++转换构造函数》一节中详细讲解。s4 也是类似的道理。
对于 s1、s2、s3、s4,都是将其它对象的数据拷贝给当前对象,以完成当前对象的初始化。

对于 func() 的形参 str,其实在定义时就为它分配了内存,但是此时并没有初始化,只有等到调用 func() 时,才会将其它对象的数据拷贝给 str 以完成初始化。

当以拷贝的方式初始化一个对象时,会调用一个特殊的构造函数,就是拷贝构造函数(Copy Constructor)

下面的例子演示了拷贝构造函数的定义和使用:
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Student{
public:
    Student(string name = "", int age = 0, float score = 0.0f);  //普通构造函数
    Student(const Student &stu);  //拷贝构造函数(声明)
public:
    void display();
private:
    string m_name;
    int m_age;
    float m_score;
};

Student::Student(string name, int age, float score): m_name(name), m_age(age), m_score(score){ }

//拷贝构造函数(定义)
Student::Student(const Student &stu){
    this->m_name = stu.m_name;
    this->m_age = stu.m_age;
    this->m_score = stu.m_score;
   
    cout<<"Copy constructor was called."<<endl;
}

void Student::display(){
    cout<<m_name<<"的年龄是"<<m_age<<",成绩是"<<m_score<<endl;
}

int main(){
    Student stu1("小明", 16, 90.5);
    Student stu2 = stu1;  //调用拷贝构造函数
    Student stu3(stu1);  //调用拷贝构造函数
    stu1.display();
    stu2.display();
    stu3.display();
   
    return 0;
}
运行结果:
Copy constructor was called.
Copy constructor was called.
小明的年龄是16,成绩是90.5
小明的年龄是16,成绩是90.5
小明的年龄是16,成绩是90.5

第 8 行是拷贝构造函数的声明,第 20 行是拷贝构造函数的定义。拷贝构造函数只有一个参数,它的类型是当前类的引用,而且一般都是 const 引用。

1) 为什么必须是当前类的引用呢?

如果拷贝构造函数的参数不是当前类的引用,而是当前类的对象,那么在调用拷贝构造函数时,会将另外一个对象直接传递给形参,这本身就是一次拷贝,会再次调用拷贝构造函数,然后又将一个对象直接传递给了形参,将继续调用拷贝构造函数……这个过程会一直持续下去,没有尽头,陷入死循环。

只有当参数是当前类的引用时,才不会导致再次调用拷贝构造函数,这不仅是逻辑上的要求,也是 C++ 语法的要求。

2) 为什么是 const 引用呢?

拷贝构造函数的目的是用其它对象的数据来初始化当前对象,并没有期望更改其它对象的数据,添加 const 限制后,这个含义更加明确了。

另外一个原因是,添加 const 限制后,可以将 const 对象和非 const 对象传递给形参了,因为非 const 类型可以转换为 const 类型。如果没有 const 限制,就不能将 const 对象传递给形参,因为 const 类型不能转换为非 const 类型,这就意味着,不能使用 const 对象来初始化当前对象了。

以上面的 Student 类为例,将 const 去掉后,拷贝构造函数的原型变为:

Student::Student(Student &stu);

此时,下面的代码就会发生错误:
const Student stu1("小明", 16, 90.5);
Student stu2 = stu1;
Student stu3(stu1);
stu1 是 const 类型,在初始化 stu2、stu3 时,编译器希望调用Student::Student(const Student &stu),但是这个函数却不存在,又不能将 const Student 类型转换为 Student 类型去调用Student::Student(Student &stu),所以最终调用失败了。

当然,你也可以再添加一个参数为 const 引用的拷贝构造函数,这样就不会出错了。换句话说,一个类可以同时存在两个拷贝构造函数,一个函数的参数为 const 引用,另一个函数的参数为非 const 引用。

默认拷贝构造函数

在前面的教程中,我们还没有讲解拷贝构造函数,但是却已经在使用拷贝的方式创建对象了,并且也没有引发什么错误。这是因为,如果程序员没有显式地定义拷贝构造函数,那么编译器会自动生成一个默认的拷贝构造函数。这个默认的拷贝构造函数很简单,就是使用“老对象”的成员变量对“新对象”的成员变量进行一一赋值,和上面 Student 类的拷贝构造函数非常类似。

对于简单的类,默认拷贝构造函数一般是够用的,我们也没有必要再显式地定义一个功能类似的拷贝构造函数。但是当类持有其它资源时,如动态分配的内存、打开的文件、指向其他数据的指针、网络连接等,默认拷贝构造函数就不能拷贝这些资源,我们必须显式地定义拷贝构造函数,以完整地拷贝对象的所有数据,这点我们将在《C++深拷贝和浅拷贝》一节中深入讲解。

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