探討C中對(duì)象的“淺拷貝”與“深拷貝”

vicself 2010-12-23

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C++ 中對(duì)象的復(fù)制就如同“克隆”，用一個(gè)已有的對(duì)象快速地復(fù)制出多個(gè)完全相同的對(duì)象。一般而言，以下三種情況都會(huì)使用到對(duì)象的復(fù)制：

（1）建立一個(gè)新對(duì)象，并用另一個(gè)同類的已有對(duì)象對(duì)新對(duì)象進(jìn)行初始化，例如：

class Rect
{
private:
int width;
int height;
};

Rect rect1;
Rect rect2(rect1); // 使用rect1初始化rect2，此時(shí)會(huì)進(jìn)行對(duì)象的復(fù)制

（2）當(dāng)函數(shù)的參數(shù)為類的對(duì)象時(shí)，這時(shí)調(diào)用此函數(shù)時(shí)使用的是值傳遞，也會(huì)產(chǎn)生對(duì)象的復(fù)制，例如：

void fun1(Rect rect)
{
...
}

int main()
{
    Rect rect1;
    fun1(rect1);    // 此時(shí)會(huì)進(jìn)行對(duì)象的復(fù)制
    return 0;
}

（3）函數(shù)的返回值是類的對(duì)象時(shí)，在函數(shù)調(diào)用結(jié)束時(shí)，需要將函數(shù)中的對(duì)象復(fù)制一個(gè)臨時(shí)對(duì)象并傳給改函數(shù)的調(diào)用處，例如：

Rect fun2()
{
Rect rect;
return rect;
}

int main()
{
    Rect rect1;
    rect1=fun2();
    // 在fun2返回對(duì)象時(shí)，會(huì)執(zhí)行對(duì)象復(fù)制，復(fù)制出一臨時(shí)對(duì)象，
    // 然后將此臨時(shí)對(duì)象“賦值”給rect1
    return 0;
}

對(duì)象的復(fù)制都是通過(guò)一種特殊的構(gòu)造函數(shù)來(lái)完成的，這種特殊的構(gòu)造函數(shù)就是拷貝構(gòu)造函數(shù)（copy constructor，也叫復(fù)制構(gòu)造函數(shù)）。拷貝構(gòu)造函數(shù)在大多數(shù)情況下都很簡(jiǎn)單，甚至在我們都不知道它存在的情況下也能很好發(fā)揮作用，但是在一些特殊情況下，特別是在對(duì)象里有動(dòng)態(tài)成員的時(shí)候，就需要我們特別小心地處理拷貝構(gòu)造函數(shù)了。下面我們就來(lái)看看拷貝構(gòu)造函數(shù)的使用。

一、默認(rèn)拷貝構(gòu)造函數(shù)

很多時(shí)候在我們都不知道拷貝構(gòu)造函數(shù)的情況下，傳遞對(duì)象給函數(shù)參數(shù)或者函數(shù)返回對(duì)象都能很好的進(jìn)行，這是因?yàn)榫幾g器會(huì)給我們自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)拷貝構(gòu)造函數(shù)，這就是“默認(rèn)拷貝構(gòu)造函數(shù)”，這個(gè)構(gòu)造函數(shù)很簡(jiǎn)單，僅僅使用“老對(duì)象”的數(shù)據(jù)成員的值對(duì)“新對(duì)象”的數(shù)據(jù)成員一一進(jìn)行賦值，它一般具有以下形式：

Rect::Rect(const Rect& r)
{
width = r.width;
height = r.height;
}

當(dāng)然，以上代碼不用我們編寫，編譯器會(huì)為我們自動(dòng)生成。但是如果認(rèn)為這樣就可以解決對(duì)象的復(fù)制問(wèn)題，那就錯(cuò)了，讓我們來(lái)考慮以下一段代碼：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 構(gòu)造函數(shù)，計(jì)數(shù)器加1
    {
        count++;
    }
    ~Rect()     // 析構(gòu)函數(shù)，計(jì)數(shù)器減1
    {
        count--;
    }
    static int getCount()       // 返回計(jì)數(shù)器的值
    {
        return count;
    }
private:
    int width;
    int height;
    static int count;       // 一靜態(tài)成員做為計(jì)數(shù)器
};

int Rect::count = 0; // 初始化計(jì)數(shù)器

int main()
{
    Rect rect1;
    cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;
    Rect rect2(rect1);   // 使用rect1復(fù)制rect2，此時(shí)應(yīng)該有兩個(gè)對(duì)象
    cout<<"The count of Rect: "<<Rect::getCount()<<endl;
    return 0;
}

這段代碼對(duì)前面的類進(jìn)行了一下小小的修改，加入了一個(gè)靜態(tài)成員，目的是進(jìn)行計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)創(chuàng)建的對(duì)象的個(gè)數(shù)，在每個(gè)對(duì)象創(chuàng)建時(shí)，通過(guò)構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行遞增，在銷毀對(duì)象時(shí)，通過(guò)析構(gòu)函數(shù)進(jìn)行遞減。在主函數(shù)中，首先創(chuàng)建對(duì)象rect1，輸出此時(shí)的對(duì)象個(gè)數(shù)，然后使用rect1復(fù)制出對(duì)象rect2，再輸出此時(shí)的對(duì)象個(gè) 數(shù)，按照理解，此時(shí)應(yīng)該有兩個(gè)對(duì)象存在，但實(shí)際程序運(yùn)行時(shí)，輸出的都是1，反應(yīng)出只有1個(gè)對(duì)象。此外，在銷毀對(duì)象時(shí)，由于會(huì)調(diào)用銷毀兩個(gè)對(duì)象，類的析構(gòu)函數(shù)會(huì)調(diào)用兩次，此時(shí)的計(jì)數(shù)器將變?yōu)樨?fù)數(shù)。出現(xiàn)這些問(wèn)題最根本就在于在復(fù)制對(duì)象時(shí)，計(jì)數(shù)器沒(méi)有遞增，解決的辦法就是重新編寫拷貝構(gòu)造函數(shù)，在拷貝構(gòu)造函數(shù)中加入對(duì)計(jì)數(shù)器的處理，形成的拷貝構(gòu)造函數(shù)如下：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 構(gòu)造函數(shù)，計(jì)數(shù)器加1
    {
        count++;
    }
    Rect(const Rect& r)   // 拷貝構(gòu)造函數(shù)
    {
        width = r.width;
        height = r.height;
        count++;          // 計(jì)數(shù)器加1
    }
    ~Rect()     // 析構(gòu)函數(shù)，計(jì)數(shù)器減1
    {
        count--;
    }
    static int getCount()   // 返回計(jì)數(shù)器的值
    {
        return count;
    }
private:
    int width;
    int height;
    static int count;       // 一靜態(tài)成員做為計(jì)數(shù)器
};

自己編寫拷貝構(gòu)造函數(shù)又可以分為兩種情況——淺拷貝與深拷貝。

二、淺拷貝

所謂淺拷貝，指的是在對(duì)象復(fù)制時(shí)，只是對(duì)對(duì)象中的數(shù)據(jù)成員進(jìn)行簡(jiǎn)單的賦值，上面的例子都是屬于淺拷貝的情況，默認(rèn)拷貝構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行的也是淺拷貝。大多情況下“淺拷貝”已經(jīng)能很好地工作了，但是一旦對(duì)象存在了動(dòng)態(tài)成員，那么淺拷貝就會(huì)出問(wèn)題了，讓我們考慮如下一段代碼：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 構(gòu)造函數(shù)，p指向堆中分配的一空間
    {
        p = new int(100);
    }
    ~Rect()     // 析構(gòu)函數(shù)，釋放動(dòng)態(tài)分配的空間
    {
        if(p != NULL)
        {
            delete p;
        }
    }
private:
    int width;
    int height;
    int *p;     // 一指針成員
};

int main()
{
    Rect rect1;
    Rect rect2(rect1);   // 復(fù)制對(duì)象
    return 0;
}

在這段代碼運(yùn)行結(jié)束之前，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)運(yùn)行錯(cuò)誤。原因就在于在進(jìn)行對(duì)象復(fù)制時(shí)，對(duì) 于動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)容沒(méi)有進(jìn)行正確的操作。我們來(lái)分析一下：

在運(yùn)行定義rect1對(duì)象后，由于在構(gòu)造函數(shù)中有一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的語(yǔ)句，因此執(zhí)行后的內(nèi)存情況大致如下：

在使用rect1復(fù)制rect2時(shí)，由于執(zhí)行的是淺拷貝，只是將成員的值進(jìn)行賦值，所以此時(shí)rect1.p和rect2.p具有相同的值，也即這兩個(gè)指針指向了堆里的同一個(gè)空間，如下圖所示：
當(dāng)然，這不是我們所期望的結(jié)果，在銷毀對(duì)象時(shí)，兩個(gè)對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)將對(duì)同一個(gè)內(nèi)存空間釋放兩次，這就是錯(cuò)誤出現(xiàn)的原因。我們需要的不是兩個(gè)p有相同的值，而是兩個(gè)p指向的空間有相同的值，解決辦法就是使用“深拷貝”。
三、深拷貝

在“深拷貝”的情況下，對(duì)于對(duì)象中動(dòng)態(tài)成員，就不能僅僅簡(jiǎn)單地賦值了，而應(yīng)該重新動(dòng)態(tài)分配空間，如上面的例子就應(yīng)該按照如下的方式進(jìn)行處理：

class Rect
{
public:
    Rect()      // 構(gòu)造函數(shù)，p指向堆中分配的一空間
    {
        p = new int(100);
    }
    Rect(const Rect& r)
    {
        width = r.width;
        height = r.height;
        p = new int;    // 為新對(duì)象重新動(dòng)態(tài)分配空間
        *p = *(r.p);
    }
    ~Rect()     // 析構(gòu)函數(shù)，釋放動(dòng)態(tài)分配的空間
    {
        if(p != NULL)
        {
            delete p;
        }
    }
private:
    int width;
    int height;
    int *p;     // 一指針成員
};

此時(shí)，在完成對(duì)象的復(fù)制后，內(nèi)存的一個(gè)大致情況如下：

此時(shí)rect1的p和rect2的p各自指向一段內(nèi)存空間，但它們指向的空間具有相同的內(nèi)容，這就是所謂的“深拷貝”。

此外，在與“對(duì)象的復(fù)制”很類似的“對(duì)象的賦值”的情況下，也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。在“對(duì)象的賦值”一文中再來(lái)討論此問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)對(duì)象復(fù)制的分析，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)象的復(fù)制大多在進(jìn)行“值傳遞”時(shí)發(fā)生，這里有一個(gè)小技巧可以防止按值傳遞——聲明一個(gè)私有拷貝構(gòu)造函數(shù)。甚至不必去定義這個(gè)拷貝構(gòu)造函數(shù)，這樣因?yàn)榭截悩?gòu)造函數(shù)是私有的，如果用戶試圖按值傳遞或函數(shù)返回該類對(duì)象，將得到一個(gè)編譯錯(cuò)誤，從而可以避免按值傳遞或返回對(duì)象。

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來(lái)自： vicself > 《我的圖書館》

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