《C++ Primer》导学系列：第 13 章 - 拷贝控制

13.1 拷贝、赋值与析构函数

拷贝控制是C++中类设计的重要组成部分，用于管理对象的复制、赋值和销毁过程。理解并正确实现拷贝控制函数（拷贝构造函数、拷贝赋值运算符和析构函数）对于编写健壮和高效的C++程序至关重要。

13.1.1 拷贝构造函数

拷贝构造函数用于创建对象的副本。它的声明形式如下：

ClassName(const ClassName &other);

当对象被复制时，拷贝构造函数会被调用。例如，当对象以值传递的方式作为参数传递或从函数返回时，拷贝构造函数将被调用。

示例代码

#include <iostream>class Example {
public:Example(int v) : value(v) {}Example(const Example &other) : value(other.value) {std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;}int getValue() const { return value; }
private:int value;
};void printExample(Example e) {std::cout << "Value: " << e.getValue() << std::endl;
}int main() {Example ex1(10);Example ex2 = ex1;  // 调用拷贝构造函数printExample(ex1);  // 调用拷贝构造函数return 0;
}

13.1.2 拷贝赋值运算符

拷贝赋值运算符用于将一个对象的值赋给另一个对象。它的声明形式如下：

ClassName& operator=(const ClassName &other);

拷贝赋值运算符通常用于对象已经存在的情况下进行赋值操作。

示例代码

#include <iostream>class Example {
public:Example(int v) : value(v) {}Example(const Example &other) : value(other.value) {std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;}Example& operator=(const Example &other) {if (this != &other) {value = other.value;std::cout << "Copy assignment operator called" << std::endl;}return *this;}int getValue() const { return value; }
private:int value;
};int main() {Example ex1(10);Example ex2(20);ex2 = ex1;  // 调用拷贝赋值运算符std::cout << "ex2 value: " << ex2.getValue() << std::endl;return 0;
}

13.1.3 析构函数

析构函数用于释放对象使用的资源。它的声明形式如下：

~ClassName();

析构函数在对象的生命周期结束时被自动调用，例如当对象超出作用域或被显式删除时。

示例代码

#include <iostream>class Example {
public:Example(int v) : value(v) {}~Example() {std::cout << "Destructor called" << std::endl;}int getValue() const { return value; }
private:int value;
};int main() {Example ex1(10);std::cout << "ex1 value: " << ex1.getValue() << std::endl;return 0;
}

13.1.4 三/五法则

C++中有一个重要的设计原则，称为“三/五法则”，意思是如果一个类定义了析构函数、拷贝构造函数或拷贝赋值运算符中的一个，那么它很可能需要定义所有这三个函数。随着C++11标准引入移动语义，这个原则扩展为“五法则”，包括移动构造函数和移动赋值运算符。

示例代码

#include <iostream>
#include <utility>class Example {
public:Example(int v) : value(new int(v)) {}Example(const Example &other) : value(new int(*other.value)) {std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;}Example& operator=(const Example &other) {if (this != &other) {delete value;value = new int(*other.value);std::cout << "Copy assignment operator called" << std::endl;}return *this;}~Example() {delete value;std::cout << "Destructor called" << std::endl;}// C++11移动构造函数Example(Example &&other) noexcept : value(other.value) {other.value = nullptr;std::cout << "Move constructor called" << std::endl;}// C++11移动赋值运算符Example& operator=(Example &&other) noexcept {if (this != &other) {delete value;value = other.value;other.value = nullptr;std::cout << "Move assignment operator called" << std::endl;}return *this;}int getValue() const { return *value; }
private:int* value;
};int main() {Example ex1(10);Example ex2 = std::move(ex1);  // 调用移动构造函数Example ex3(20);ex3 = std::move(ex2);  // 调用移动赋值运算符return 0;
}

13.1.5 阻止拷贝

在某些情况下，我们可能希望阻止对象被拷贝或赋值。可以通过将拷贝构造函数和拷贝赋值运算符声明为delete来实现这一点。

示例代码

class NonCopyable {
public:NonCopyable() = default;NonCopyable(const NonCopyable &) = delete;NonCopyable& operator=(const NonCopyable &) = delete;
};int main() {NonCopyable obj1;// NonCopyable obj2 = obj1;  // 错误：拷贝构造函数被删除// NonCopyable obj3;// obj3 = obj1;  // 错误：拷贝赋值运算符被删除return 0;
}

重点与难点分析

重点：

1. 拷贝构造函数：了解何时会调用拷贝构造函数，掌握其实现方法。
2. 拷贝赋值运算符：理解拷贝赋值运算符的使用场景和实现细节。
3. 析构函数：熟悉析构函数的作用和调用时机。
4. 三/五法则：掌握何时需要同时实现拷贝构造函数、拷贝赋值运算符和析构函数，理解移动语义下的五法则。
5. 阻止拷贝：了解如何通过delete关键字阻止对象的拷贝和赋值。

难点：

1. 自我赋值检测：在拷贝赋值运算符中处理自我赋值的情况。
2. 资源管理：确保在析构函数中正确释放资源，避免内存泄漏和其他资源管理问题。
3. 编写健壮的拷贝控制函数：理解并正确实现拷贝控制函数，以确保对象在复制、赋值和销毁过程中行为一致且安全。
4. 实现移动语义：正确实现移动构造函数和移动赋值运算符，提高程序性能。

练习题解析

1. 练习13.1：编写一个类，包含拷贝构造函数、拷贝赋值运算符和析构函数，测试它们的调用情况。

• • 示例代码：

#include <iostream>class Example {
public:Example(int v) : value(v) {}Example(const Example &other) : value(other.value) {std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;}Example& operator=(const Example &other) {if (this != &other) {value = other.value;std::cout << "Copy assignment operator called" << std::endl;}return *this;}~Example() {std::cout << "Destructor called" << std::endl;}int getValue() const { return value; }
private:int value;
};int main() {Example ex1(10);Example ex2 = ex1;  // 调用拷贝构造函数ex2 = ex1;          // 调用拷贝赋值运算符return 0;
}

1. 练习13.2：修改练习13.1的类，使其包含一个指向动态内存的指针，确保拷贝控制函数正确管理该内存。

• • 示例代码

#include <iostream>class Example {
public:
Example(int v) : value(new int(v)) {}
Example(const Example &other) : value(new int(*other.value)) {std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;
}
Example& operator=(const Example &other) {if (this != &other) {delete value;value = new int(*other.value);std::cout << "Copy assignment operator called" << std::endl;}return *this;
}
~Example() {delete value;std::cout << "Destructor called" << std::endl;
}
int getValue() const { return *value; }
private:
int* value;
};int main() {Example ex1(10);Example ex2 = ex1;  // 调用拷贝构造函数ex2 = ex1;          // 调用拷贝赋值运算符std::cout << "ex2 value: " << ex2.getValue() << std::endl;return 0;
}

1. 练习13.3：编写一个类，包含移动构造函数和移动赋值运算符，测试它们的调用情况。

• • 示例代码：

#include <iostream>class Example {
public:Example(int v) : value(new int(v)) {}Example(const Example &other) : value(new int(*other.value)) {std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;}Example& operator=(const Example &other) {if (this != &other) {delete value;value = new int(*other.value);std::cout << "Copy assignment operator called" << std::endl;}return *this;}Example(Example &&other) noexcept : value(other.value) {other.value = nullptr;std::cout << "Move constructor called" << std::endl;}Example& operator=(Example &&other) noexcept {if (this != &other) {delete value;value = other.value;other.value = nullptr;std::cout << "Move assignment operator called" << std::endl;}return *this;}~Example() {delete value;std::cout << "Destructor called" << std::endl;}int getValue() const { return *value; }
private:int* value;
};int main() {Example ex1(10);Example ex2 = std::move(ex1);  // 调用移动构造函数Example ex3(20);ex3 = std::move(ex2);          // 调用移动赋值运算符return 0;
}

1. 练习13.4：编写一个类，阻止其对象的拷贝和赋值。

• • 示例代码：

#include <iostream>class NonCopyable {
public:NonCopyable() = default;NonCopyable(const NonCopyable &) = delete;NonCopyable& operator=(const NonCopyable &) = delete;
};int main() {NonCopyable obj1;// NonCopyable obj2 = obj1;  // 错误：拷贝构造函数被删除// NonCopyable obj3;// obj3 = obj1;  // 错误：拷贝赋值运算符被删除return 0;
}

总结与提高

本节总结：

1. 掌握了拷贝控制的基本概念和操作，包括拷贝构造函数、拷贝赋值运算符和析构函数。
2. 理解了拷贝控制函数在对象复制、赋值和销毁过程中的作用和调用时机。
3. 学会了在类中正确实现拷贝控制函数，以确保对象在不同生命周期阶段的正确行为。
4. 理解了“三/五法则”的重要性，学会了在类设计中同时实现必要的拷贝控制函数和移动语义。
5. 掌握了如何通过delete关键字阻止对象的拷贝和赋值。

提高建议：

1. 多练习拷贝控制函数的实现：通过编写更多涉及拷贝控制的类，熟悉各种管理方法的用法，提高对拷贝控制的理解和实现能力。
2. 深入理解资源管理的原理：通过阅读文档和相关书籍，深入理解资源管理的实现原理和使用场景，提高编写高效代码的能力。
3. 优先使用智能指针：在实际项目中，尽量使用智能指针管理动态内存，以减少手动内存管理带来的错误，提高代码的可读性和可维护性。
4. 优化移动语义：在类设计中，合理运用移动构造函数和移动赋值运算符，提高程序的性能和资源利用效率。

13.2 拷贝控制与资源管理

拷贝控制函数在管理资源时非常重要，特别是当类涉及动态内存分配或其他资源（如文件句柄、网络连接等）时。通过正确实现拷贝控制函数，可以确保资源在对象复制、赋值和销毁过程中得到正确的管理和释放。

13.2.1 拷贝控制与动态内存

在涉及动态内存的类中，拷贝构造函数、拷贝赋值运算符和析构函数的实现需要特别注意，以确保内存安全。

示例代码

#include <iostream>
#include <algorithm> // for std::copyclass DynamicArray {
public:DynamicArray(size_t size) : size(size), data(new int[size]()) {}DynamicArray(const DynamicArray &other) : size(other.size), data(new int[other.size]) {std::copy(other.data, other.data + other.size, data);std::cout << "Copy constructor called" << std::endl;}DynamicArray& operator=(const DynamicArray &other) {if (this != &other) {