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《C++PrimerPlus》第12章：类和动态内存分配（1）-创新互联

文章目录
  • 动态内存和类
    • 静态类成员
    • 特殊成员函数
      • 1. 默认构造函数
      • 2. 复制构造函数
      • 3. 赋值运算符

通常，最好是在程序运行时（而不是编译时）确定诸如使用多少内存等问题。为此，通常的方法是使用string类，它可以处理内存管理的细节，但这样就没有机会更深入地学习内存管理了，因此，这里将直接对问题发起攻击。除非同时执行一系列额外的步骤，如扩展类析构函数、使所有的构造函数与new析构函数协调一致、编写额外的类方法来帮助正确完成初始化和赋值，否则在类构造函数中使用new将导致新问题。

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C++ 使用 new 和 delete 运算符来动态控制内存，在类中使用这些运算符将导致许多新的编程问题。在这种情况下，析构函数将是必不可少的，而不再是可有可无的。有时候，还必须重载赋值运算符，以保证程序正常运行。

静态类成员

静态类成员有个特点：无论创建了多少对象，程序都只创建一个静态类变量副本。也就是说，类的所有对象共享同一个静态成员。。这对于所有类对象都具有相同值的类私有数据是非常方便的。

注意，不能在类声明中初始化静态成员变量，这是因为声明描述了如何分配内存，但并不分配内存。对于静态类成员，可以在类声明之外使用单独的语句来进行初始化，这是因为静态类成员是单独存储的，而不是对象的组成部分。

int StringBad::num_strings = 0;

初始化语句指出了类型，并使用了作用域运算符，但没有使用关键字 static。

初始化是在方法文件中，而不是在类声明文件中进行的，这是因为类声明位于头文件中，程序可能将头文件包括在其他几个文件中。如果在头文件中进行初始化，将出现多个初始化语句副本，从而引发错误。但如果静态成员是const整数类型或枚举型，则可以在类声明中初始化。

字符串并不保存在对象中。字符串单独保存在堆内存中，对象仅保存了指出到哪里去查找字符串的信息。
不能这样做：

str = s;

这只保存了地址，而没有创建字符串副本。

指针成员指向new分配的内存，当对象过期时，指针也将过期，但指针指向的内存仍被分配，除非使用delete将其释放。删除对象可以释放对象本身占用的内存，但并不能自动释放属于对象成员的指针指向的内存，因此，必须使用析构函数，在析构函数中使用delete语句来确保对象过期时，由构造函数使用 new 分配的内存被释放。

警告：在构造函数中使用 new 来分配内存时，必须在相应的析构函数中使用 delete 来释放内存。如果使用 delete[] 来分配内存，则应使用 delete[] 来释放内存。

特殊成员函数

C++自动提供了下面这些成员函数：

  • 默认构造函数，如果没有定义构造函数；
  • 默认析构函数，如果没有定义；
  • 复制构造函数，如果没有定义；
  • 赋值运算符，如果没有定义；
  • 地址运算符，如果没有定义。
    更准确一点，对于最后三个函数的定义，如果程序使用对象的方式要求这样，编译器才自动生成。
1. 默认构造函数

如果没有提供任何构造函数，C++将创建默认构造函数。默认构造函数类似于创建一个常规自动变量，它的值在初始化时是未知的。
如果定义了构造函数，C++将不会定义默认构造函数。
如果希望在创建对象时不显式地对它进行初始化，则必须显式地定义默认构造函数。这种函数没有任何参数，但可以使用它来设置特定的值。
带参数的构造函数也可以是默认构造函数，只要所有参数都有默认值，但这时要注意二义性的问题。

2. 复制构造函数

复制构造函数用于将一个对象复制到新创建的对象中。也就是说，它用于初始化过程（好包括按值传递参数），而不是常规的赋值过程中。类的复制构造函数原型通常如下：

Class_name(const Class_name &);

它接受一个指向类对象的常量引用作为参数。
对于复制构造函数，需要知道两点：何时调用和有何功能。

  1. 何时调用复制构造函数
    新建一个对象并将其初始化为同类现有对象时，复制构造函数都将被调用。这在很多情况下都可能发生，最常见的情况是将新对象显式地初始化为现有的对象。例如，假设 motto 时一个 StringBad 对象，则下面 4 种声明都将调用复制构造函数：

    StringBad ditto(motto);							// calls StringBad(const StringBad &)
StringBad metoo = motto;						// calls StringBad(const StringBad &)
StringBad also = StringBad(motto);				// calls StringBad(const StringBad &)
StringBad * pStringBad = new StringBad(motto);	// calls StringBad(const StringBad &)

    第2种和第3种声明可能会使用复制构造函数直接创建 metoo 和 also，也可能使用复制构造函数生成一个临时的对象，然后将该临时对象的内容赋给 metoo 和 also，这取决于具体的实现。最后一种声明使用 motto 初始化一个匿名对象，并将该匿名对象的地址赋给 pStringBad 指针。每当程序生成了对象副本时，编译器都将使用复制构造函数。具体地说，当函数按值传递对象或函数返回对象时，都将使用复制构造函数。编译器生成临时对象时，也将使用复制构造函数。例如，将3个 Vector 对象相加时，编译器可能生成临时的 Vector 对象来保存中间结果。何时生成临时对象随编译器而异，但无论哪种编译器，当按值传递和返回对象时，都将调用复制构造函数。

    由于按值传递对象将调用复制构造函数，因此应该按引用传递对象。这样可以节省调用构造函数的时间以及存储新对象的空间。

  2. 默认的复制构造函数的功能

    默认的复制构造函数逐个复制非静态成员（成员复制也称为浅复制），复制的是成员的值。（成员复制也称为浅复制），复制的是成员的值。在程序清单 12.3 中，下述语句：

    StringBad sailor = sports;

    与下面的代码等效（只是由于私有成员是无法访问的，因此这些代码不能通过编译）：

    StringBad sailor;
sailor.str = sports.str;
sailor.len = sports.len;

    如果成员本身就是类对象，则将使用这个类的复制构造函数来复制成员对象。静态函数（如 num_strings）不受影响，因为它们属于整个类，而不是各个对象。

    如果类中包含值在新对象被创建时将发生变化的静态数据成员，则应该提供一个显式复制构造函数来处理计数问题。

    如果复制的不是字符串，而是指向字符串的指针，则调用复制构造函数后，将得到两个指向同一个字符串的指针。当operator<<()函数使用指针来显式字符串时，这并不会出问题，但当析构函数被调用时，这将引发问题。析构函数 StringBad 释放 str 指针指向的内存因此释放sailor的效果如下：

    delete [] sailor.str;

    sailor.str 指针指向的字符串占用的内存将被delete所释放。
    然后释放 sports 的效果如下：

    delete [] sports.str;

    sports.str 指向的内存已经被 sailor 的析构函数释放，这将导致不确定的、可能有害的后果。后果是不确定的，一种可能是生成一个未知的字符串，这通常是内存管理不善的后果。另一种后果，试图释放内存两次可能导致程序异常终止。

  3. 定义一个显式复制构造函数以解决问题
    解决类设计中这种问题的方法是进行深度复制（deep copy）。也就是说，复制构造函数应当复制字符串并将副本的地址赋给str成员，而不仅仅是复制字符串地址。这样每个对象都有自己的字符串，而不是引用另一个对象的字符串。调用析构函数时都将释放不同的字符串，而不会试图去释放已经被释放的字符串。可以这样编写 String 的复制构造函数：

    StringBad::StringBad(const StringBad &){
	num_strings++;
	len = st.len;
	str = new char[len+1];
	std::strcpy(str, st.str);
	cout<< num_strings<< ": \" "<< str<< "\" object created\n";
}

    必须定义复制构造函数的原因在于，一些类成员是使用 new 初始化的、指向数据的指针，而不是数据本身。
    警告：如果类中包含了使用new初始化的指针成员，应当定义一个复制构造函数，以复制指向的数据，而不是指针，这被称为深度复制。复制的另一种形式只是复制指针值，千夫指仅浅浅地复制指针信息，而不会深入“挖掘”以复制指针引用的结构。

3. 赋值运算符

ANSI C 允许结构赋值，而 C++ 允许类对象赋值，这是通过自动为类重载赋值运算符实现的。这种运算符的原型如下：

Class_name & Class_name::operator=(const Class_name &);

它接受并返回一个指向类对象的引用。例如，StringBad类的赋值运算符的声明如下：

StringBad & StringBad::operator=(const StringBad &);

  1. 赋值运算符的功能以及何时使用它
    将已有的对象赋给另一个对象时，将使用重载的赋值运算符：

    StringBad headline1("Celery Stalks at Midnight");
...
StringBad knot;
knot = headline1;	// assignment operator invoked

    初始化对象时，并不一定为使用赋值运算符：

    StringBad metoo = knot;	// use copy constructor, possibly assignment, too

    这里，metoo 是一个新创建的对象，被初始化为 knot 的值，因此使用复制构造函数。然而，正如前面指出的，实现时也可能分两步来处理这条语句：使用复制构造函数创建一个临时对象，然后通过赋值将临时对象的值复制到新对象中。这就是说，初始化总是会调用复制构造函数，而使用=运算符时也允许调用赋值运算符。

    与复制构造函数相似，赋值运算符的隐式实现也对成员进行逐个复制。如果成员本身就是类对象，则程序将使用为这个类定义的赋值运算符来复制该成员，但静态数据成员不受影响。

  2. 赋值的问题出在哪里？

    knot = headline1;

    为knot调用析构函数时，将显示下面的信息：

    "Celery Stalks at Midnight" object deleted, 2 left

    为 Headline1 调用析构函数时，显示如下消息（有些实现方式在此之前就异常终止了）；

    "-|" object deleted, -2 left

    出现的问题与隐式复制构造函数相同：数据受损。这也是成员复制的问题，即导致 headline1.str 和 knot.str 指向相同的地址。因此，当对 knot 调用析构函数时，将删除字符串“Celery Stalks at Midnight”; 当对 headline1 调用析构函数时，将试图删除前面已经删除的字符串。正如前面指出的，试图删除已经删除的数据导致的结果是不确定的，因此可能改变内存中的内容，导致程序异常终止。要指出的是，如果操作结果是不确定的，则执行的操作将随编译器而异，包括显示独立声明，或释放隐藏文件占用的硬盘空间。当然，编译器开发人员通常不会花时间添加这样的行为。

  3. 解决赋值的问题
    对于由于默认赋值运算符不合适而导致的问题，解决办法是提供赋值运算符（进行深度复制）定义。其实先与复制构造函数相似，但也有一些差别。

    • 由于目标对象可能引用了以前分配的数据，所以函数应使用 delete[] 来释放这些数据。
    • 函数应当避免将对象赋给自身；否则，给对象重新赋值前，释放内存操作可能删除对象的内容。
    • 函数返回一个指向调用对象的引用
      通过返回一个对象，函数可以像常规赋值操作那样，连续进行赋值，即如果S0、S1 和 S2 都是 StringBad 对象，则可以编写这样的代码：
    S0 = S1 = S2;

    使用函数表示法时，上述代码为：

    S0.operator=(S1.operator=(S2));

    因此，S1.operator=(S2) 的返回值时 函数 S0.operator=() 的参数。
    因为返回值是一个指向 StringBad 对象的引用，因此参数类型是正确的。
    下面的代码说明了如何为 StringBad 类编写赋值运算符：

    StringBad * StringBad::operator=(const StringBad & st){
	if (this == &st)
		return *this;
	delete [] str;
	len = st.len;
	str = new char [len+1];
	std::strcpy(str, st.str);
	return *this;
}

    代码首先检查自我复制，这是通过查看赋值运算符右边的地址(&st) 是否与接受对象的地址(this)相同来完成的。如果相同，程序将返回*this，然后结束。

    如果地址不同，函数将释放 str 指向的内存，这是因为稍后将把一个新字符串的地址赋给 str。如果不首先使用delete运算符，则上述字符串将保留在内存中，而且由于程序中不再包含指向该字符串的指针，这些内存将被浪费掉。

    接下来的操作与复制构造函数相似，即为新字符串分配足够的内存空间，然后将赋值运算符右边的对象中的字符串复制到新的内存单元中。

    上述操作完成后，程序返回*this并结束。
    赋值操作不创建新的对象，因此不需要调整静态数据成员 num_strings 的值。
    将前面介绍的赋值构造函数和赋值运算符添加到 StringBad 类中后，所有的问题都解决了。

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标题名称：《C++PrimerPlus》第12章：类和动态内存分配（1）-创新互联
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