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C++拷贝构造函数(复制构造函数)详解

复制构造函数是构造函数的一种,也称拷贝构造函数,它只有一个参数,参数类型是本类的引用。

复制构造函数的参数可以是 const 引用,也可以是非 const 引用。 一般使用前者,这样既能以常量对象(初始化后值不能改变的对象)作为参数,也能以非常量对象作为参数去初始化其他对象。一个类中写两个复制构造函数,一个的参数是 const 引用,另一个的参数是非 const 引用,也是可以的。

如果类的设计者不写复制构造函数,编译器就会自动生成复制构造函数。大多数情况下,其作用是实现从源对象到目标对象逐个字节的复制,即使得目标对象的每个成员变量都变得和源对象相等。编译器自动生成的复制构造函数称为“默认复制构造函数”。

注意,默认构造函数(即无参构造函数)不一定存在,但是复制构造函数总是会存在。

下面是一个复制构造函数的例子。
#include<iostream >
using namespace std;
class Complex
{
public:
    double real, imag;
    Complex(double r, double i) {
        real= r; imag = i;
    }
};
int main(){
    Complex cl(1, 2);
    Complex c2 (cl);  //用复制构造函数初始化c2
    cout<<c2.real<<","<<c2.imag;  //输出 1,2
    return 0;
}
第 13 行给出了初始化 c2 的参数,即 c1。只有编译器自动生成的那个默认复制构造函数的参数才能和 c1 匹配,因此,c2 就是以 c1 为参数,调用默认复制构造函数进行初始化的。初始化的结果是 c2 成为 c1 的复制品,即 c2 和 c1 每个成员变量的值都相等。

如果编写了复制构造函数,则默认复制构造函数就不存在了。下面是一个非默认复制构造函数的例子。
#include<iostream>
using namespace std;
class Complex{
public:
    double real, imag;
    Complex(double r,double i){
        real = r; imag = i;
    }
    Complex(const Complex & c){
        real = c.real; imag = c.imag;
        cout<<"Copy Constructor called"<<endl ;
    }
};

int main(){
    Complex cl(1, 2);
    Complex c2 (cl);  //调用复制构造函数
    cout<<c2.real<<","<<c2.imag;
    return 0;
}
程序的输出结果是:
Copy Constructor called
1,2

第 9 行,复制构造函数的参数加不加 const 对本程序來说都一样。但加上 const 是更好的做法,这样复制构造函数才能接受常量对象作为参数,即才能以常量对象作为参数去初始化别的对象。

第 17 行,就是以 c1 为参数调用第 9 行的那个复制构造函数初始化的。该复制构造函数执行的结果是使 c2 和 c1 相等,此外还输出Copy Constructor called

可以想象,如果将第 10 行删去或改成real = 2*c.real; imag = imag + 1;,那么 c2 的值就不会等于 c1 了。也就是说,自己编写的复制构造函数并不一定要做复制的工作(如果只做复制工作,那么使用编译器自动生成的默认复制构造函数就行了)。但从习惯上来讲,复制构造函数还是应该完成类似于复制的工作为好,在此基础上还可以根据需要做些別的操作。

构造函数不能以本类的对象作为唯一参数,以免和复制构造函数相混淆。例如,不能写如下构造函数:

Complex (Complex c) {...}

复制构造函数被调用的三种情况

复制构造函数在以下三种情况下会被调用。

1) 当用一个对象去初始化同类的另一个对象时,会引发复制构造函数被调用。例如,下面的两条语句都会引发复制构造函数的调用,用以初始化 c2。
Complex c2(c1);
Complex c2 = c1;
这两条语句是等价的。

注意,第二条语句是初始化语句,不是赋值语句。赋值语句的等号左边是一个早已有定义的变量,赋值语句不会引发复制构造函数的调用。例如:
Complex c1, c2; c1 = c2 ;
c1=c2;
这条语句不会引发复制构造函数的调用,因为 c1 早已生成,已经初始化过了。

2) 如果函数 F 的参数是类 A 的对象,那么当 F 被调用时,类 A 的复制构造函数将被调用。换句话说,作为形参的对象,是用复制构造函数初始化的,而且调用复制构造函数时的参数,就是调用函数时所给的实参。
#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
    A(){};
    A(A & a){
        cout<<"Copy constructor called"<<endl;
    }
};

void Func(A a){ }

int main(){
    A a;
    Func(a);
    return 0;
}
程序的输出结果为:
Copy constructor called

这是因为 Func 函数的形参 a 在初始化时调用了复制构造函数。

前面说过,函数的形参的值等于函数调用时对应的实参,现在可以知道这不一定是正确的。如果形参是一个对象,那么形参的值是否等于实参,取决于该对象所属的类的复制构造函数是如何实现的。例如上面的例子,Func 函数的形参 a 的值在进入函数时是随机的,未必等于实参,因为复制构造函数没有做复制的工作。

以对象作为函数的形参,在函数被调用时,生成的形参要用复制构造函数初始化,这会带来时间上的开销。如果用对象的引用而不是对象作为形参,就没有这个问题了。但是以引用作为形参有一定的风险,因为这种情况下如果形参的值发生改变,实参的值也会跟着改变。

如果要确保实参的值不会改变,又希望避免复制构造函数带来的开销,解决办法就是将形参声明为对象的 const 引用。例如:
void Function(const Complex & c)
{
    ...
}
这样,Function 函数中出现任何有可能导致 c 的值被修改的语句,都会引发编译错误。

思考题:在上面的 Function 函数中,除了赋值语句,还有什么语句有可能改变 c 的值?例如,是否允许通过 c 调用 Complex 的成员函数?

3) 如果函数的返冋值是类 A 的对象,则函数返冋时,类 A 的复制构造函数被调用。换言之,作为函数返回值的对象是用复制构造函数初始化 的,而调用复制构造函数时的实参,就是 return 语句所返回的对象。例如下面的程序:
#include<iostream>
using namespace std;
class A {
public:
    int v;
    A(int n) { v = n; };
    A(const A & a) {
        v = a.v;
        cout << "Copy constructor called" << endl;
    }
};

A Func() {
    A a(4);
    return a;
}

int main() {
    cout << Func().v << endl;
    return 0;
}
程序的输出结果是:
Copy constructor called
4

第19行调用了 Func 函数,其返回值是一个对象,该对象就是用复制构造函数初始化的, 而且调用复制构造函数时,实参就是第 16 行 return 语句所返回的 a。复制构造函数在第 9 行确实完成了复制的工作,所以第 19 行 Func 函数的返回值和第 14 行的 a 相等。

需要说明的是,有些编译器出于程序执行效率的考虑,编译的时候进行了优化,函数返回值对象就不用复制构造函数初始化了,这并不符合 C++ 的标准。上面的程序,用 Visual Studio 2010 编译后的输出结果如上所述,但是在 Dev C++ 4.9 中不会调用复制构造函数。把第 14 行的 a 变成全局变量,才会调用复制构造函数。对这一点,读者不必深究。

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