构造/析构/赋值运算

标签： effective C++

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文中中英文混杂非我本意，因为翻译上有差别，比如 default constructor 翻译为缺省构造函数或者默认构造函数，copy constructor 翻译为复制构造函数或拷贝构造函数，base class翻译为父类或者基类，也是心累。
翻译上的一些狗血地方确实很讨厌，比如句柄、鲁棒性等中文翻译反而不如英文清晰。

了解C++ 默默编写并调用了哪些函数

编译器可以暗自为class创建default构造函数、copy构造函数、copy assignment运算符，以及析构函数。

需要注意几点：

• 这里是可以，而不是必然，在某些条件下不会生成default构造函数，比如
  基类没有default构造函数，类成员对象没有default构造函数，已经提供有参构造函数等情况；
• copy构造函数和copy assignment运算符只是单纯的将来源对象的每一个 non-static 成员变量拷贝到目标对象，对于内置类型按bit拷贝，其他类型会调用对象的copy构造函数；
• 对于引用类型成员对象、const 类型成员对象，需要自定义copy assignment运算符；
• 拒绝某个函数可以使用 delete C++11；
• 如果不想要copy构造函数和copy assignment运算符，可以将其声明为 private；
• 如果base class 将copy assignment运算符声明为 private，那么编译器将拒绝生成一个copy assignment运算符，毕竟编译器为derived classes所生的copy assignment运算符应该处理base class成分。

建议学习《深度探索C++对象模型》

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若不想使用编译器自动生成的函数，就该明确拒绝

通常，如果不希望class支持某一特定机能，只要不声明对应函数即可。但这个策略对copy构造函数、copy assignment运算符不起作用，原因是编译器会为你声明它们。
如果我们不想class支持copy功能，需要明确拒绝它们。

将copy构造函数、copy assignment声明为private

这样可以成功的阻止外部调用。
然而这个做法并不绝对安全，因为 member 函数和 friend 函数依然可以调用，更聪明的做法是将其声明为 private 而且故意不去实现它们，这样即使有人不想用调用也会发生链接错误，从而达到提醒的效果。

class HomeForSale
{
public:
private:HomeForSale(const HomeForSale&);                    //仅有声明HomeForSale operator=(const HomeForSale&);};

继承Uncopyable

将链接期错误移到编译期是可能的，而且也是更好的。
方法是：继承一个 专门设计阻止copying行为的base class。

class Uncopyable
{
protected:Uncopyable() {}                     //允许derived对象构造和析构~Uncopyable() {}
private:Uncopyable(const Uncopyable&);      //阻止copyingUncopyable operator=(const Uncopyable&);
};

Uncopyable的实现和使用颇为微妙，

• 不一定是 public 继承
• 析构函数不一定得是 virtual（因为不是多态）

//TODO 一些微妙的地方需要回顾查看

C++11 =delete关键字

C++11 提供 delete 关键字，驳回class提供的机能。

class HomeForSale
{
public：HomeForSale(const HomeForSale&)=delete;            //仅有声明HomeForSale operator=(const HomeForSale&)=delete;
private:
};

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为多态基类声明virtual析构函数

当derived class 对象经由一个base class指针 删除，而该base class析构函数为 non-virtual，实际执行时通常发生的是对象的derived成分没有被销毁。

class Base
{
public:Base() { std::cout << "Base()" << std::endl; }~Base() { std::cout << "~Base()" << std::endl; }virtual void print() { std::cout << "Base" << std::endl; }
};class Derived:public Base
{
public:Derived() { std::cout << "Derived()" << std::endl; }~Derived() { std::cout << "~Derived()" << std::endl; }virtual void print() { std::cout << "derived" << std::endl; }
};int main()
{Base *pbase = new Derived();delete pbase;
}//执行结果
Base()
Derived()
~Base()

消除这个问题做法是base class 析构函数改为 virtual。

class Base
{
public:Base() { std::cout << "Base()" << std::endl; }virtual ~Base() { std::cout << "~Base()" << std::endl; }virtual void print() { std::cout << "Base" << std::endl; }
};

它既能保证自身的析构，也能完成派生类对象的析构，似乎把所有的class 析构函数都声明为 virtual 是个好的选择？
那就大错特错了。
将一个不含 virtual 函数的class的析构函数声明为 virtual，是一个影响效率的行为。从虚函数的实现原理来看这个问题，对象维护一个vptr(virtual pointer)指针，指向一个由函数指针构成的数组，称为vtbl(vitual table)，每一个带有 virtual 函数的class都有一个相应的vtbl，当对象调用某一 virtual 函数，实际被调用的函数去觉悟该对象的vptr所指的哪个vtbl，编译器在其中寻找适当的函数指针。
而vtbl由构造函数负责生成，在没有 virtual 引入，C++ class 效率 和C几乎一致，引入 virtual 是必然引起效率降低的。从内存上看似乎对象多维护了32bit或64bit的指针，然而背后还有一个虚函数表vtbl。
因此，无端的将所有class的析构函数声明为 virtual 是错误的行为。

给class一个 virtual 析构函数 规则仅适用于多态基类
一些类或基类本身不服务于多态，比如item 6的Uncopyable，STL中的 string
当你继承自他们时，不要妄想用其base指针指向该对象而后 delete，他们大概率没有 virtual 函数，更不会提供 virtual 析构函数

总结：

• 带多态性质的基类应该声明 virtual 析构函数。许多人的心得是：如果class带有任何 vitrual 函数，应该声明 virtual 析构函数
• classes的设计目的如果不是作为 base classes使用，或不是为了具备多态性，就不该声明 virtual 析构函数。

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别让异常逃出析构函数

C++异常处理概念参考菜鸟教程

当执行一个 throw 语句，在 throw 语句之后的语句将不再执行，导致在调用栈上的函数可能提早退出。

构造函数与异常机制

构造函数中使用异常机制是合理的，构造函数抛出异常表明构造函数没有执行完，对象没有真正的生成，因此对应的析构函数不会自动调用。

class B
{
public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() {cout << "~B()" << endl; }
};class A
{
public:A(): _a(new B()) {cout << "A()" << endl;throw -1;}~A(){ delete _a;cout << "~A()" << endl; }
private:B* _a;};int main ()
{try {A();} catch(int a) {cerr << "exception: " << a << endl;}return 0;
}//执行结果
B()
exception: -1

不会调用 ~A()，导致内存泄漏
方法是使用RAII机制，即资源获取时初始化，参考第3节//TODO

class B
{
public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() {cout << "~B()" << endl; }
};class A
{
public:A(): _a(new B()) {throw -1;cout << "A()" << endl;}~A(){ cout << "~A()" << endl; }
private:std::shared_ptr<B> _a;
};int main ()
{try {A();} catch(int a) {cerr << "exception: " << a << endl;}return 0;
}//执行结果
B()
~B()
exception: -1

析构函数与异常机制

C++不禁止析构函数吐出异常，但它不鼓励你这样做

class B
{
public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() {cout << "~B()" << endl; }
};class A
{
public:A(): _a(new B()) {cout << "A()" << endl;}~A(){throw -1;cout << "~A()" << endl; }
private:std::shared_ptr<B> _a;
};int main ()
{try {A();} catch(int a) {cerr << "exception: " << a << endl;}return 0;
}//执行结果
B()
A()
terminate called after throwing an instance of 'int'
Aborted

这里析构函数向函数外抛出异常，将直接调用 terminator() 系统函数终止程序，抛出异常后，没有释放 _a，导致内存泄漏。
处理方法是将异常机制在析构函数中完成处理，有两种方式：

• 若想抛出异常就结束，通过 std::abord() 完成
• 也可以吞下异常，不做处理

~A()
{try{throw -1;cout << "~A()" << endl;} catch(int) {std::abort();               //终止       } 
}//执行结果
B()
A()
Aborted

~A()
{try{throw -1;cout << "~A()" << endl;} catch(int) {//吞下} 
}//执行结果
B()
A()
~B()

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绝不在构造和析构过程种调用virtual函数

在base构造期间，virtual 函数不是 virtual 函数，更严格来说，在derived class对象的base class构造期间，对象的类型是base class 而非 derived class

容易记住的是：当进入base class 构造函数，对象成为base class对象，
进入derived class构造函数时，对象成为derived class 对象
析构函数同样如此

如果需要在构造函数中使用 virtual 函数，解决方案是：
用 non-virtual 函数替代，以参数传递形式实现

class A
{
public:A() { print(); }virtual void print() { std::cout << "A::Print()" << std::endl; }
};class B : public A
{
public:virtual void print() { std::cout << "B::print()" << std::endl; }
};int main()
{B b;return 0;
}//执行结果
A::Print()

class A
{
public:A(const std::string &log) { print(log); }void print(const std::string &log) { std::cout << log << std::endl; }
};class B : public A
{
public:B() : A("B::print()") {}
};int main()
{B b;return 0;
}//执行结果
B::print()

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令operator= 返回一个reference to *this

为了满足连锁赋值，赋值操作符必须返回一个 reference 指向操作符的左侧实参

class Widget
{
public:Widget& operator=(const Widget& rhs){...return *this;}
};

不使用引用导致效率降低，
返回类型如果是 void 无法写成连锁形式

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在operator= 中处理 “自我赋值”

自我赋值发生在对象被赋值给自己时，听上去有些愚蠢，但无法保证不会发生这种情况。
比如

a[i] = a[j];            //潜在的自我赋值
*px = *py               //潜在的自我赋值

如果 i=j 则为自我赋值，px 和 py 所指相同也是自我赋值

class Bitmap {...};
class widget
{
public:Widget& operator=(const Widget& rhs){delete pb;pb = new Bitmap(*rhs.pb);return *this;}
private:Bitmap *pb;
};

这是个不安全的代码，原因就在于自我赋值时，会使用指向已 delete 的对象，同时，也存在异常安全性的问题
当 new 抛出异常，Widget 持有一个已被 delete 的 pb，这样的指针有害

传统的做法是进行一次证同测试

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)
{if (this == &rhs) return *this;                 //证同测试 identity testdelete pb;pb = new Bitmap(*rhs.pb);return *this;
}

这样做确实解决了自我赋值安全性的问题，却依然存在异常方面的麻烦（不论是因为分配时内存不足或因为Bitmap的copy构造函数抛出异常）Widget最终会持有一个指针指向一块被删除的Bitmap

令人高兴的是，让 operator 具备异常安全性往往会自动获得自我赋值安全性的回报，因此焦点被放到了异常安全性的处理上。
许多时候一群精心安排的语句就可以导出异常安全的代码

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)
{Bitmap *pOrig = pb;pb = new Bitmap(*rhs.pb);delete pOrig;return *this;
}

现在，如果new Bitmap抛出异常，pb会保持现状，即使没有证同测试，也能够处理自我赋值

另一个替代方案是 copy and swap 技术，它是一个常见而且够好的 operator= 撰写方法

class Widget
{
public:void swap(Widget& rhs)             //交换*this 和rhs的数据{std::swap(this->pb, rhs.pb);}Widget& operator=(const Widget& rhs){Widget temp(rhs);               //为rhs数据制作一个附件swap(temp);                     //将*this数据和上述附件的数据交换return *this;}
private:Bitmap *pb;
};

一个更伶俐巧妙的做法是:使用值传递pass-by-value方式接受实参，值传递传参会构造一个临时副本，利用这种特性将传参和制作附件的过程合并，有缺陷是这样的做法牺牲了清晰性。

Widget& Widget::operator=(Widget rhs){swap(rhs);return *this;}

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复制对象勿忘其每一个成分

设计良好的面向对象C++系统具有良好的封装性，仅留两个函数负责对象的拷贝：copy构造函数和copy assignment 操作符，称之为copying函数。
如果你声明自己的copying函数，意味着告诉编译器你不喜欢编译器生成的默认copying函数，编译器似乎被冒犯，会以一种奇怪的方式回敬：当你的实现代码几乎必然出错时，却不告诉你

void logCall (const std::string& funcName)
{std::cout << funcName << std::endl;
}class Customer
{
public:Customer(const Customer& rhs);Customer& operator=(const Customer& rhs);
private:std::string name;
};Customer::Customer(const Customer& rhs) : name(rhs.name)
{logCall("Customer copy constructor");
}Customer& Customer::operator=(const Customer& rhs)
{logCall("Customer copy assignment operator");name = rhs.name;return *this;
}

看起来不错，确实也不错，直到另一个成员变量加入

class Data {...}
class Customer
{
public:
...
private:std::string name;Date lastTransaction;
};

新增了成员变量 lastTransaction，copy函数复制了 name ，但没有复制 lastTransaction ，大多数编译器没有发出任何提示或警告。如果你忘了，编译器不太可能提醒你。

另一个潜在的危机是出现继承的情形

class PriorityCustomer: public Customer
{
public:PriorityCustomer(const PriorityCustomer& rhs);PriorityCustomer& operator=(const PriorityCustomer& rhs);
private:int priority;
};PriorityCustomer::PriorityCustomer(const PriorityCustomer& rhs) : priority(rhs.priority)
{logCall("PriorityCustomer copy constructor");
}
PriorityCustomer& PriorityCustomer::operator=(const PriorityCustomer& rhs)
{logCall("PriorityCustomer copy assignment operator");priority = rhs.priority;return *this;
}

看上去复制了了 PriorityCustomer 内的每一样东西，但是却没有复制它所继承的Customer成员变量附件
任何时候只要你承担为derived class 撰写copying函数的责任，必须很小心的复制base class部分，那些成分往往是 private 的，因此应调用相应的base的copying函数

PriorityCustomer::PriorityCustomer(const PriorityCustomer& rhs) : 
Customer(rhs),                  //调用base的copy构造函数
priority(rhs.priority)
{logCall("PriorityCustomer copy constructor");
}
PriorityCustomer& PriorityCustomer::operator=(const PriorityCustomer& rhs)
{logCall("PriorityCustomer copy assignment operator");Customer::operator=(rhs);   //对base成分进行复制操作priority = rhs.priority;return *this;
}

注意：

• copying函数应该确保复制对象内所有成员变量以及所有base class成分
• 不要尝试以某个copying函数实现另一个copying函数，应该将共同机能放进第三个函数中，并由两个copying函数共同调用。

关于第二点：copying函数实现另一个copying函数指的是：

• 令copy构造函数调用copy assignment操作符
• 令copy assignment操作符调用copy 构造函数

这两种行为都是不合理的，最佳实践：
如果copy构造函数和copy assignment操作符有相近的代码，消除重复代码的方式是：
建立一个新的成员函数给两者共用。这样的函数往往是 private 而且通常命名为 init ，这个策略可以安全消除代码重复的问题。