C++深度解析教程学习笔记（6）对象的构造和销毁

1. 对象的初始化

(1)从程序设计的角度看,对象只是变量,因此:

①在栈上创建对象时,成员变量初始化为随机值

②在堆上创建对象时,成员变量初始化为随机值

③在静态存储区创建对象时,成员变量初始化为 0 值

成员变量的初始化

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int i;
    int j;

public:
    int getI(){return i;}
    int getJ(){return j;}
};

Test gt; //全局对象

int main()
{
    //全局区，初始化为0
    printf("gt.i = %d\n", gt.getI());
    printf("gt.j = %d\n", gt.getJ());

    //栈上的对象，初始化为随机值
    Test st;
    printf("st.i = %d\n", st.getI());
    printf("st.j = %d\n", st.getJ());

    //堆上创建对象，初始化为随机值
    Test* pt = new Test;
    printf("pt->i = %d\n", pt->getI());
    printf("pt->j = %d\n", pt->getJ());

    delete pt; 

    return ;
}

(2)生活中的对象都是初始化了的

(3)初始状态是对象普遍存在一个状态

2. 构造函数

(1)C++中可以定义与类名相同的特殊成员函数,这个函数叫构造函数

①构造函数是没有任何返回类型(连 void 都没有,因为这个函数是编译器在创建对象时插入二进制代码用的,即由编译器来调用的)

②构造函数在对象定义时自动被调用

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int i;
    int j;

public:
    int getI(){return i;}
    int getJ(){return j;}
    
    //构造函数
    Test()
    {
        printf("Test() Begin\n");
        i = ;//成员变量初始化
        j = ;//成员变量初始化
        printf("Test() End\n");
    }
};

Test gt; //全局对象

int main()
{
    //全局区的对象
    printf("gt.i = %d\n", gt.getI());//
    printf("gt.j = %d\n", gt.getJ());//0

    //栈上的对象
    Test st;
    printf("st.i = %d\n", st.getI());//
    printf("st.j = %d\n", st.getJ());//0

    //堆上的对象
    Test* pt = new Test;
    printf("pt->i = %d\n", pt->getI());//
    printf("pt->j = %d\n", pt->getJ());//0   

    delete pt; 

    return ;
}

3.带参数的构造函数

(1)构造函数可以根据需要定义参数

(2)一个类中可以存在多个重载的构造函数

(3)构造函数的重载遵循 C++重载规则

对象的定义和声明不同

①对象定义:申请对象的空间并调用构造函数(如 Test t;//定义并调用构造函数)

②对象声明:告诉编译器己经存在一个对象,并不调用构造函数(如 extern Test t;)

4.构造函数的调用

(1)一般情况下,编译器会根据给定的参数情况自动调用相应的构造函数

带参数的构造函数

#include <stdio.h>

class Test
{
public:
    
    //不带参的构造函数
    Test()
    {
        printf("Test()\n");
    }
    
    Test(int v)
    {
        printf("Test(int v), v = %d\n", v);        
    }
};

int main()
{
    Test t;      //调用Test();
    Test t1();  //调用Test(int v);
    Test t2 = ; //调用Test(int v);

    int i();
    printf("i = %d\n", i);

    return ;
}

(2)一些特殊情况下,需要手工调用构造函数

构造函数的手动调用

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int m_value;

public:
    
    //不带参的构造函数
    Test()
    {
        m_value = ;

        printf("Test()\n");
    }
    
    Test(int v)
    {
        m_value = v;
        printf("Test(int v), v = %d\n", v);        
    }

    int getValue(){return m_value;}
};

int main()
{
    //Test ta[3] = {1, 2, 3};//编译器自动调用带参构造函数

    //定义数组对象，并手动调用带参构造函数来初始化各个对象
    Test ta[] ={Test(), Test(), Test()};
    for(int i = ;i< ;i++)
    {
        printf("ta[%d].getValue() = %d\n", i, ta[i].getValue());
    }

    Test t = Test(); //定义并手动调用构造函数来初始化对象

    return ;
}

5.特殊的构造函数

	无参构造函数	拷贝构造函数
参数形式	没有参数的构造函数	参数为const class_name&的构造函数
默认情况	当类中没有定义构造函数时，编译器默认提供一个无参构造函数，并且其函数体为空	当类中没有定义拷贝构造函数时，编译器默认提供一个拷贝构造函数，简单的进行成员变量的值复制
注意：	当类中定义了构造函数（含带参、不带参、或拷贝构造函数），则系统就不再提供默认的无参构造函数。而拷贝构造函数只有在我们定义时，系统才不提供。

特殊的构造函数

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int i;
    int j;

public:
    int getI(){return i;}

    int getJ(){return j;}

    /*
    //拷贝构造函数
    Test(const Test& t)
    {
        i = t.i;
        j = t.j;
    }
    */

    
    //无参构造函数
    Test()
    {
    }
    
};

int main()
{
    //调用无参构造函数，注意如果我们定义了构造函数（含无参、带参或拷贝
    //构造函数时）系统就不再提供默认的，需自己定义无参构造函数。
    Test t1; //调用Test()

    Test t2 = t1;//调用拷贝构造函数，如果我们不定义，系统会提供默认的

    printf("t1.i = %d, t1.j = %d\n",t1.getI(),t1.getJ());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d\n",t2.getI(),t2.getJ());

    return ;
}

6.拷贝构造函数

(1)拷贝构造函数的意义

①兼容 C 语言的初始化方式,即利用己经存在的对象去创建新的对象。(因为 C++中初始化会涉及到拷贝构造函数的调用。注意初始化与赋值是不同的,赋值时“=”运算符会被调用)

如:int a = b; //C 中,用一个变量来初始化另一个变量;

Student s2 = s1;//利用己经存在的 s1 对象来初始化,很像 C 的初始化方式

②初始化行为能够符合预期的逻辑

(2)浅拷贝和深拷贝

①拷贝后对象的物理状态相同→编译器提供的拷贝构造函数只进行浅拷贝

②拷贝后对象的逻辑状态相同

对象的初始化

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int i;
    int j;
    int* p;

public:
    int getI(){return i;}

    int getJ(){return j;}

    int* getP(){return p;}

    /*
    //拷贝构造函数
    Test(const Test& t)
    {
        i = t.i;
        j = t.j;
        p = new int;

        *p = *t.p;
    }
    */

    //带参构造函数
    Test(int v)
    {
        i = ;
        j = ;
        p = new int;

        *p = v;
    }

    ~Test(){delete p;}

};

int main()
{
    Test t1();  //调用Test(int v);
    Test t2(t1); //调用Test(const Test& t)
    //t1.p和t2.p指向了同一个堆内存地址,析构的时候会释放两次p
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d, *t1.p = %d\n", t1.getI(), t1.getJ(), *t1.getP());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d, *t2.p = %d\n", t2.getI(), t2.getJ(), *t2.getP());

    return ;
}

(3)什么时候需要进行深拷贝

①对象中有成员指代了系统中的资源

②如成员指向了动态内存空间、打开了外存中的文件或使用了系统中的网络端口等

③自定义拷贝构造函数时,必然需要实现深拷贝

自定义数组类

//IntArray.h
#ifndef _INTARRAY_H_
#define _INTARRAY_H_

class IntArray
{
private:
    int m_length;
    int* m_pointer;

public:
    IntArray(int len);
    IntArray(const IntArray& obj);
    ~IntArray();

    int length();
    bool get(int index, int& value);
    bool set(int index, int value);
};

#endif

//IntArray.cpp
#include "IntArray.h"

IntArray::IntArray(int len)
{
    m_pointer = new int[len];

    for(int i = ; i<len; i++)
    {
        m_pointer[i] = ;
    }

    m_length = len;
}

IntArray::IntArray(const IntArray& obj)
{
    m_length = obj.m_length;

    m_pointer = new int[obj.m_length];

    for (int i = ;i < obj.m_length; i++)
    {
        m_pointer[i] = obj.m_pointer[i];
    }
}

IntArray::~IntArray()
{
    if(m_pointer)
    {
        delete[] m_pointer;
    }
}

int IntArray::length()
{
    return m_length;
}

bool IntArray::get(int index, int& value)
{
   bool bRet = ( <= index) && (index <m_length);

   if(bRet)
   {
        value = m_pointer[index];
   }

   return bRet;
}

bool IntArray::set(int index, int value)
{

   bool bRet = ( <= index) && (index <m_length);

   if(bRet)
   {
        m_pointer[index] = value;
   }

   return bRet;
}

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "IntArray.h"

int main()
{
    IntArray a();//调用带参构造函数
    
    for(int i=; i<a.length(); i++)
    {
        a.set(i, i + );
    }

    for(int i=; i<a.length(); i++)
    {
        int value = ;

        if(a.get(i, value))
        {
            printf("a[%d] = %d\n", i, value);
        }
    }

    IntArray b = a; //调用拷贝构造函数
    
    for(int i=; i<b.length();i++)
    {
        int value = ;

        if(b.get(i, value))
        {
            printf("b[%d] = %d\n", i, value);
        }
    }
    return ;
}

7.初始化列表

7.1.类成员的初始化

(1)C++中提供了初始化列表,可以对成员变量进行初始化

(2)语法规则:

ClassName::ClassName():m1(v1), m2(v2,v3),m3(v3)
{
     //其它初始化操作
}

(3)注意事项

①成员的初始化顺序与成员的声明顺序相同。而与初始化列表中的位置无关

②初始化列表先于构造函数的函数体执行

#include <stdio.h>

class Value
{
private:
    int mi;

public:
    Value(int i)
    {
        printf("i = %d\n", i);
        mi = i;
    }

    int getI(){return mi;}
};

class Test
{
private:
    Value m2;
    Value m3;
    Value m1;

public:

    //初始化顺序只与声明顺序有关，与初始化列表次序无关
    //即初始化顺序为：m2,m3,m1。最后才是调用构造函数
    Test():m1(), m2(), m3() //成员变量的初始化
    {
        printf("Test::Test()\n");
    }

};

int main()
{
    Test t;

    return ;
}

7.2.类中的const成员

(1)类中的 const 成员会被分配空间。但本质上是个只读变量,因为编译器无法直接得到const 成员的初始值,因此无法进入符号表成为真正意义上的常量。

类中的 const 成员(值为多少,存储在哪里?)

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    //const成员，会分配空间。其存储空间与对象存储位置一样
    //可在栈上、堆或全局区等
    //但编译期间无法确定初始化，所以不会进入符号表
    const int ci;

public:
    Test()
    {
        //ci = 10; //不能这样初始化，ci是只读变量，不能作为左值
    }

    int getCI(){return ci;}
}

int main()
{
    Test t; //会提示ci变量未被初始化

    printf("t.ci = %d\n", t.getCI());

    return ;
}

(2)类中的 const 成员只能在初始化列表中指定初始值。而不能在其他地方(如构造函数的内部,因为形如 c = 1 的赋值语句,意味着要给 const 变量赋值这是不允许的)

只读成员变量

#include <stdio.h>

class Value
{
private:
    int mi;

public:
    Value(int i)
    {
        printf("i = %d\n", i);
        mi = i;
    }

    int getI(){return mi;}
};

class Test
{
private:
    const int ci;
    Value m2;
    Value m3;
    Value m1;

public:

    Test():m1(), m2(), m3(), ci() //成员变量的初始化
    {
        printf("Test::Test()\n");
    }

    int getCI(){return ci;}

    int setCI(int v)
    {
        //说明ci是个只读变量，可以通过指针修改内存值
        int* p = const_cast<int*>(&ci);
        *p = v;
    }

};

int main()
{
    Test t;

    printf("t.ci = %d\n", t.getCI()); //

    t.setCI();

    printf("t.ci = %d\n", t.getCI()); //10   

    return ;
}

(3)初始化与赋值不同

①初始化:对正在创建的对象进行初值设置(如 int a = 1;或初始化列表的形式)

②赋值:对己经存在的对象进行值设置(如 a = 1;)

类中可以使用初始化列表对成员进行初始化，初始化列表先于构造函数体执行，const 成员变量必须在初始化列表中指定初值，const 成员变量为只读变量。

8. 对象的构造顺序

(1)对于局部对象:当程序执行流到达对象的定义语句时进行构造

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int mi;

public:
    Test(int i)
    {
        mi = i;
        printf("Test(int i): %d\n", mi);
    }

    Test(const Test& obj)
    {
        mi = obj.mi;
        printf("Test(const Test& obj): %d\n", mi);
    }

    ~Test()
    {
       printf("~Test(): %d\n", mi);
    }
};

int main()
{
    int i = ;
    Test a1 = i;//Test(int i):0，执行到这里时构造a1

    while(i < )
    {
        //注意：a2的作用域只在这个大括号内
        //所以，每执行1次，构造一次a2
        Test a2 = ++i;//Test(int i):1、2、3
    }

    goto LabelEnd; //因跳转，所以下列的a不会被构造

    if (i < )
    {
        Test a = a1;//Test(const Test&):0。但因goto，该对象不会被构造
    }
    else
    {
        Test a();//不会被执行，所以不会调用Test(int i)
    }

LabelEnd:

    return ;
}

(2)对于堆对象

①当程序执行流到达 new 语句时创建对象

②使用 new 创建对象将自动触发构造函数的调用

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int mi;

public:
    Test(int i)
    {
        mi = i;
        printf("Test(int i): %d\n", mi);
    }

    Test(const Test& obj)
    {
        mi = obj.mi;
        printf("Test(const Test& obj): %d\n", mi);
    }

    ~Test()
    {
       //printf("~Test(): %d\n", mi);
    }
};

int main()
{
    int i = ;
    Test* a1 = new Test(i); //Test(int i):0

    while(++i < )
        if (i % )  //i % 2 !=0
            new Test(i);//Test(int i):1、3、5、7、9

    if (i < )
    {
        new Test(*a1);//Test(const& Test):0
    }
    else
    {
        new Test();//Test(int i):100
    }

    return ;
}

(3)对于全局对象

①对象的构造顺序是不确定的

②不同的编译器使用不同的规则确定构造顺序

//test.h
#ifndef _TEST_H_
#define _TEST_H_

#include<stdio.h>

class Test
{
public:
    Test(const char* s)
    {
        printf("%s\n", s);
    }
};

#endif

//t1.cpp
#include "test.h"

Test t1("t1");//全局变量

//t2.cpp
#include "test.h"

Test t2("t2");//全局变量

//t3.cpp
#include "test.h"

Test t3("t3");//全局变量

//main.cpp
#include <stdio.h>
#include "test.h"

//注意：全局变量会先于main函数执行，因此
//4个全局变量t1-t4会被先构造，再其顺序是不确定的，
//要依赖于编译器。

//当构造完全局对象后，会执行main函数，可以发现
//t5是最后一个被构造的。

Test t4("t4");//全局变量

int main()
{
    Test t5("t5");//局部变量
    return ;
}

9.对象的销毁

9.1.析构函数

(1)C++的类中可以定义一个特殊的清理函数,叫析构函数

(2)析构函数的功能与构造函数相反

(3)定义:~ClassName();//注意,无参无返回值;对象销毁时会被自动调用

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int mi;

public:
    Test(int i)
    {
        mi = i;
        printf("Test(): %d\n", mi);
    }

    //析构函数
    ~Test()
    {
        printf("~Test(): %d\n", mi);
    }
};

int main()
{
    Test t();

    Test* pt = new Test();

    delete pt;

    return ;
}

析构函数的定义准则：当类中自定义了构造函数,并且构造函数中使用了系统资源(如:内存申请、文件打开等),则需要自定义析构函数

10.临时对象

(1)程序意图:在 Test()中以 0 作为参数调用 Test(int i)来将成员变量 mi 初始值设置为 0.

(2)运行结果:成员变量 mi 的值为随机值(没达到目的!)

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int mi;
public:

    //带参构造函数
    Test(int i)
    {
        mi = i;
    }

    //不带参构造函数
    Test()
    {
        Test();//程序的意图是把Test当成普通函数来使用以达到对mi赋值的目的但直接调用构造函数，会将产生临时对象。所以Test(0)相当于
               //对新的临时对象的mi赋初值为0，而不是对这个对象本身mi赋值
    }

    void print()
    {
        printf("mi = %d\n", mi);
    }
};

int main()
{
    Test t;
    t.print(); //mi并没被赋初始，会输出随机值

    return ;
}

10.1.临时对象

(1)构造函数是一个特殊的函数,调用构造函数将产生一个临时对象

(2)临时对象的生命期只有一条语句的时间

(3)临时对象的作用域只在一条语句中

(4)临时对象是 C++中值得警惕的灰色地带

解决方案

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int mi;
    //正确的做法，是提供一个用来初始化的普通函数
    void init(int i){ mi = i; }
public:

    //带参构造函数
    Test(int i)
    {
        init(i);
    }

    //不带参构造函数
    Test()
    {
        init();//调用普通的初始化函数，而不是带参的构造函数Test(int i);
    }

    void print()
    {
        printf("mi = %d\n", mi);
    }
};

int main()
{
    Test t;
    t.print(); //mi被赋值为0

    return ;
}

10.2.临时对象与返回值优化（RVO）

(1)现代 C++编译器在不影响最终执行结果的前提下,会尽力减少临时对象的产生。

神秘的临时对象

#include <stdio.h>

class Test
{
private:
    int mi;

public:

    //带参构造函数
    Test(int i)
    {
        mi = i;
        printf("Test(int i): %d\n", i);
    }

    //不带参构造函数
    Test()
    {
        mi = ;
        printf("Test()\n");

    }

    //拷贝构造函数
    Test(const Test& t)
    {
        mi = t.mi;
        printf("Test(cosnt Test& t): %d\n", t.mi);
    }

    void print()
    {
        printf("mi = %d\n", mi);
    }

    ~Test(){ printf("~Test()\n"); }
};

Test func()
{
    return Test();
}

int main()
{

    Test t = Test(); //==> Test t = 10，临时对象被编译器给“优化”掉了说明：如果不优化，该行代码的行为：调用Test(10)
    //将产生一个临时对象，并用这个对象去初始化t对象，会先调用Test(int i)，再调用Test(const Test& t)

    Test tt = func(); //==> Test tt = Test(20);==>Test tt = 20;
    //说明：如果不优化，该行代码的行为：在func内部调用Test(20)，将产生一个临时对象,此时(Test(int i)被调用，然后按值返回，
    //会调用拷贝构造函数Test(const Test&)产生第2个临时对象，最后用第2个临时对象去初始化tt对象，将再次调用Test(const Test& t)

    t.print();
    tt.print();

    return ;
}

//实际输出（优化后）结果（在g++下，可以关闭RVO优化再测试：g++ -fno-elide-constructors test.cpp）
//Test(int i): 10
//Test(int i): 20
//~Test()
//~Test()

(2)返回值优化(RVO)

//假设 Test 是一个类,构造函数为 Test(int i);
Test func()
{
    return Test();//若不优化，将产生临时对象，并返回给调用者
}

①在没有任何“优化”之前,return Test(2)代码的行为这行代码中

先构造了一个 Test 类的临时的无名对象(姑且叫它 t1),接着把 t1 拷贝到另一块临时对象 t2(不在栈上),然后函数保存好 t2 的地址(放在 eax 寄存器中)后返回,Func 的栈区间被“撤消”(这时 t1 也就“没有”了,t1 的生存期在 Func 中,所以被析构了),在Test a = TestFun(); 这一句中,a 利用 t2 的地址,可以找到 t2,接着进行构造。这样 a 的构造过程就完成了。然后再把 t2 也“干掉”。

②经过“优化”的结果

可以看到,在这个过程中,t1 和 t2 这两个临时的对象的存在实在是很浪费的,占用空间不说,关键是他们都只是为 a 的构造而存在,a 构造完了之后生命也就终结了。既然这两个临时的对象对于程序员来说根本就“看不到、摸不着”(匿名对象),于是编译器干脆在里面做点手脚,不生成它们!怎么做呢?很简单,编译器“偷偷地”在我们写的 TestFun 函数中增加一个参数 Test&,然后把 a 的地址传进去(注意,这个时候 a 的内存空间已经存在了,但对象还没有被“构造”,也就是构造函数还没有被调用),然后在函数体内部,直接用 a 来代替原来的“匿名对象”,在函数体内部就完成 a 的构造。这样,就省下了两个临时变量的开销。这就是所谓的“返回值优化”!

③编译器“优化”后的伪代码

//Test a = func(); 这行代码，经过编译优化后的等价伪代码：
//从中可以发现，优化后，减少了临时变量的产生

Test a;   //a只是一个占位符
func(a);  //传入a的引用

void func(Test& t) //优化时，编译器在func函数中增加一个引用的参数
{  
      t.Test(); //调用构造函数来构造t对象
}

直接调用构造函数将产生一个临时对象，临时对象是性能的瓶颈,也是 bug 的来源之一，现代 C++编译器会尽力避开临时对象，实际工程开发中需要人为的避开临时对象。