初识C++（四）深入了解拷贝构造函数

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

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);
    Date d3=d1;
    return 0;
}

这两种都是拷贝d1的值。
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（d），把d1的各个变量拷贝给d2

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。

在C++中规定，自定义类型的拷贝，需要调用拷贝构造函数。

在拷贝构造函数中如果传值调用，就需要调用拷贝构造，就又进入循环。

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

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

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。

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。

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：

首先，调用 Date 的默认拷贝构造函数（自动生成）来初始化 d2。
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;
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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：

程序崩溃，我们进行调试观察

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

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：

为副本分配新的内存空间。
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s1
    Stack(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s1

    Stack(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

这下我们的问题也就解决了

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

本篇内容到此结束，感谢大家观看!