C++ 構造函數和析構函數

2021 年 6 月 29 日
筆記

在C++的學習中，可以把類當作一個模具，類所實例化出來的對象就是根據這個模具所產生的實體，對象可以看作是我們自己創建的一個新的數據類型。本文主要介紹了類對象通過拷貝函數進行初始化，分析了類對象的內存模型，以及通過this指針來實現更複雜的功能。最後介紹了析構函數的基礎知識。

1、構造函數

首先，由於類只是一個模板，因此我們在定義類時無法對成員變量初始化，比如下面代碼就是錯誤的：

class circle{
	public:
		int m_L = 20;	// Error:不允許使用數據成員初始值設定項
};

因此，初始化只能發生在類創建對象的過程中，但是由於訪問權限的原因，無法在類外訪問某些成員變量，因此下面這種做法有時候是無效的：

circle C1;	// 實例化一個對象 C1
C1.m_L = 20;	// 通過創建的對象，來給對應變量初始化，但是如果m_L是private訪問權限，則失效

為了解決這個問題，讓程序員能像使用標準數據類型一樣適用對象，在類內提供了一個特殊的成員函數——「構造函數」，專門用於在創建對象時初始化類對象。之所以說它特殊，是因為C++已經自動為構造函數提供了名稱和使用語法，程序員只需要提供方法的定義即可，即：類名(形參列表)。具體來說，構造函數的定義如下：

class circle{
	public:
		int m_L;
	public: //成員函數（方法）
		circle(const int a)	//通過構造函數對成員變量進行賦值
		{
			m_L = a;
		}
};

circle C1(20);	//調用格式
cout << "C1.m_L:" << C1.m_L <<endl;

看上去似乎很簡單，但是由於構造函數也是函數，因此所有C++中的形參傳遞方式，函數特性以及函數調用方法都能用於構造函數。 如前文所講，C++會自動給類添加一個空的構造函數，但是如果自己在類中實現了有參構造函數，編譯器便不再提供無參構造函數。舉例如下：

class circle{
	public:
		int m_L;
	public: //成員函數（方法）
		circle(const int a)	//通過構造函數對成員變量進行賦值
		{
			m_L = a;
		}
};

circle C1(20);	//調用格式正確，能夠通過構造函數賦值
circle C2; 		//錯誤，自己定義了有參構造函數，不再提供無參構造函數

構造函數可以重載，接着上面的例子，如果重載一個空的構造函數，那麼兩個調用格式都正確：

class circle{
	public:
		int m_L;
	public: //成員函數（方法）
		circle(){}	// 空構造函數
		circle(const int a)	//通過構造函數對成員變量進行賦值
		{
			m_L = a;
		}
};

circle C1(20);	//調用格式正確，能夠通過構造函數賦值
circle C2; 		//正確，可以通過重載的空構造函數實現初始化

構造函數的參數不僅可以是標準數據類型，也可以是類。眾所周知，在數值作為函數參數進行傳遞的時候，會重新拷貝出來一份數據作為參數傳遞用完即銷毀，這種方式不僅浪費了內存空間，而且無法修改原始數據。為了結合這兩者之間的優點，於是經常採取引用作為函數的參數。雖然引用是指針的一種特殊情況，但是指針太過於靈活，並且引用在形式上引用與普通的變量地用法並沒有什麼區別，因此使用起來更加方便。如果不清楚引用和指針地區別，請移步上一篇文章：C++中的訪問權限 – ZhiboZhao – 博客園 (cnblogs.com)

class circle{
	public:
		int m_L;
	public: //成員函數（方法）
    	circle(){}	// 空構造函數
		circle(const int a)	//通過構造函數對成員變量進行賦值
		{
			m_L = a;
		}
		//引用作為函數參數傳遞，並用const修飾，節省空間的同時避免修改原數據
		circle(const circle& sub_circle)	
		{
			m_L = sub_circle.m_L;
		}
};

circle C1(20);	//調用格式正確，能夠通過構造函數賦值
circle C2(C1); 	//正確，可以通過拷貝構造函數進行初始化

2、C++類的內存模型

C++中，一個類包括：

成員變量：靜態成員變量和普通成員變量
成員函數：靜態成員函數和普通成員函數

雖然為了集成，我們將其寫到一個類裏面，但是只有普通成員變量真正屬於類的對象，類的所有對象共享一份靜態成員函數，靜態成員變量和普通成員函數。結合前面的內容內存四區之代碼區，全局區，棧區和堆區 – ZhiboZhao – 博客園 (cnblogs.com)，我大致畫出了內存模型，如下圖所示：

為了進一步理解，我們舉例如下：

2.1 只定義成員函數

class person{
public:
    // 定義一個空的構造函數
	person(int m_age, int m_ID){
	}
};
person p1(10, 20);
cout << "p1 所佔的空間為：" << sizeof(p1) << endl;

輸出結果為：

p1 所佔的空間為：1

這個題目在《劍指offer》一書中也提到過，由空類實例化出來的對象所佔的內存空間是1個而不是0個位元組，因為編譯其給對象 p1 分配了一個地址，來表示不同的對象存儲在不同的地址空間，因此佔用1個位元組。

2.2 往空類中添加靜態成員變量

class person{
    static int age; //靜態成員變量，存在全局區，不屬於類對象的一部分
    static int ID;  //靜態成員變量，存在全局區，不屬於類對象的一部分
public:
    // 定義一個空的構造函數
	person(int m_age, int m_ID){
	}
};
person p1(10, 20);
cout << "p1 所佔的空間為：" << sizeof(p1) << endl;

輸出結果為：

p1 所佔的空間為：1

當向類中加入了成員函數與靜態成員變量時，類的實例化對象仍然只佔用1個位元組的空間，足以證明這些函數和變量並不是類對象的一部分。

2.3 再加入非靜態成員變量

class person
{
	static int age; //靜態成員變量，存在全局區，不屬於類對象的一部分
    static int ID;  //靜態成員變量，存在全局區，不屬於類對象的一部分
	int a;	//非靜態成員變量，存在棧區，屬於類對象的一部分
public:
	person(int m_age, int m_ID){
	}
};

輸出結果為：

p 所佔的空間為：4

因此當向類中加入了非靜態成員變量時，類的實例化對象佔用4個位元組的空間，可以說明，非靜態變量屬於類對象的一部分。綜上：同一個類所有實例化出來的對象共享同一份靜態成員變量，所以一改全改。既然同一個類的不同對象共享同一份成員函數，那麼成員函數怎麼區分該訪問哪個對象的普通成員變量呢？

3、this指針

接着上一小節的問題，this指針為上述問題提供了一個完美的解決方案，它指向用來調用成員函數的對象（被當作參數隱式地傳遞給成員函數），我們通過一張圖來理解它：

此外，this指針的另一個用途是當成員函數需要返回對象時，用 return *this; 或者 return this，這種做法能夠實現鏈式編程。比如：

p2.addPerson(p1).addPerson(p1);

首先，對象 p2 調用成員函數 addPerson(p1) ，其返回值繼續調用 addPerson(p1)，此時返回值就必須也是 person 類型才可以，因此使用 this 指針可以完成需求。先來看第一個例子：

class person{
public:
	int age;
	person(int age)
	{
		this->age = age; // this指針區分調用者
	}
	// 返回值為person類型，且參數加上了const限制，防止修改原數據
	person addPerson(const person& p)
	{
		this->age += p.age;	// 主要實現兩個類對象年齡的相加
		return *this;	// 由於返回值是person，因此返回 *this
	}
};

person p1(20);
person p2(10);
person p3 = p2.addPerson(p1).addPerson(p1);
cout << "p1 age：" << p1.age << endl;
cout << "p2 age：" << p2.age << endl;
cout << "p3 age：" << p3.age << endl;

首先，通過構造函數分別對 p1,p2 賦了初值，然後 p2 調用函數 addPerson(p1) 修改自身的變量 age 。**由於函數通過值傳遞的方式返回 person 類型，所以將整個 person 類型複製了一份返回，返回值繼續調用 addPerson(p1), **最後的結果賦值給了新的對象 p3。所以輸出結果為：

p1 age：20
p2 age：30
p3 age：50

但是如果函數 addPerson() 修改為：

person& addPerson(const person& p)
{
    this->age += p.age;	// 主要實現兩個類對象年齡的相加
    return *this;	// 雖然返回值是person&，返回值的類型也是 *this
}

person p1(20);
person p2(10);
person p3 = p2.addPerson(p1).addPerson(p1);
cout << "p1 age：" << p1.age << endl;
cout << "p2 age：" << p2.age << endl;
cout << "p3 age：" << p3.age << endl;

與上例唯一的區別就在於返回值的類型變成了引用，那麼每次返回的就變成了該對象本身，而非在值傳遞中拷貝出來的那一份數據。那麼輸出就變成了：

p1 age：20
p2 age：50
p3 age：50

4、析構函數

用構造函數創建對象後，程序負責跟蹤該對象，知道其過期為止。當對象過期時，程序自動調用析構函數完成清理工作。與構造函數一樣，C++默認提供了一個空的析構函數，定義為：~類名( )。由於開闢在棧區的變量程序會自動釋放，因此不需要析構函數執行清理工作，但是當程序員在堆區開闢空間時，需要手動執行清理工作，這時候需要析構函數來釋放堆區內存。比如：

~person()
{
	// 在析構函數內寫入需要執行的代碼
	cout << "調用析構函數" << endl;
}
person p1(20);
person p2(10);	// 在生命周期結束後自動調用析構函數執行清理工作

輸出為：

調用析構函數
調用析構函數