C++特殊成員函數及其生成機制

2022 年 2 月 20 日
筆記
C++, 學網課, 看書籍

在C++中，特殊成員函數指的是那些編譯器在需要時會自動生成的成員函數。C++98中有四種特殊的成員函數，分別是默認構造函數、析構函數、拷貝構造函數和拷貝賦值運算符。而在C++11中，隨著移動語義的引入，移動構造函數和移動賦值運算符也加入了特殊成員函數的大家庭。本文主要基於Klaus Iglberger在CppCon 2021上發表的主題演講Back To Basics: The Special Member Fuctions以及Scott Meyers的著作Effective Modern C++中的條款17，向大家介紹這六種特殊成員函數的特點以及它們的生成機制。

默認構造函數

當且僅當以下條件成立時，編譯器會生成一個默認構造函數：

沒有顯式聲明的構造函數
所有的數據成員和基類都擁有自己的默認構造函數

如果用戶聲明了自己的構造函數，那麼編譯器就不會再去生成一個默認構造函數；如果用戶沒有聲明構造函數，但是類中包含了一個沒有默認構造函數的數據成員，那麼編譯器也不會生成默認構造函數。

數據成員初始化

編譯器生成默認構造函數會初始化所有類類型的數據成員，但是並不會初始化基礎類型的數據成員。以下面的程式碼為例，第六行程式碼會調用默認構造函數將成員變數s初始化為空字元串，但是並不會初始化整型成員變數i以及指針pi。

struct Widget {
  int i;
  std::string s;
  int* pi;
};
int main() {
  Widget w1;   // Default initialization
  Widget w2{}; // Vaule initialization
  return 0;
}

如果我們想同時初始化所有的成員變數，可以使用值初始化，只需在聲明對象時添加一對大括弧即可，見上述程式碼第8行。如果沒有聲明默認構造函數，值初始化會zero-initialize整個對象，然後default-initializes所有non-trivial的數據成員。以上面的程式碼為例，使用值初始化後，i被初始化為0，s仍然被初始化為空字元串，而pi被初始化為nullptr。如果用戶聲明了默認構造函數，那麼值初始化就會按照用戶聲明來完成初始化操作。

通過默認構造函數，我們可以初始化類中的數據成員。但是需要注意賦值和初始化的區別。在下面的程式碼中，我們實現了兩個默認構造函數（僅僅為了說明賦值和初始化的區別，不代表類中能夠實現兩個默認構造函數）。在第一個默認構造函數中，所有的成員在函數體內執行賦值操作。對於基礎類型來說還好，但是對於類類型或者std::string這種，一次賦值操作帶來的開銷要比初始化的開銷大。而第二個默認構造函數使用了成員初始化列表，每次操作都是初始化，所以它的開銷會更低，性能也更好。

struct Widget {
  Widget() {
    i = 42;       // Assignment, not initialization
    s = "CppCon"; // Assignment, not initialization
    pi = nullptr; // Assignment, not initialization
  }

  Widget()
    : i{42}       // Initializing to 42
    , s{"CppCon"} // Initializing to "CppCon"
    , pi{}        // Initializing to nullptr
   {}

  int i;
  std::string s;
  int* pi;
};

對於數據成員的初始化，C++ Core Guideline定義了兩條規則。首先，我們要按照數據成員在類中的定義順序來初始化數據成員；其次，盡量在構造函數中使用初始化而非賦值。

Core Guideline C.47: Define and initialize member variables in the order of member declaration.

Core Guideline C.49: Prefer initialization to assignment in constructors.

析構函數

當用戶沒有顯式聲明析構函數時，編譯器會生成一個析構函數。編譯器生成的析構函數會調用類類型成員變數的析構函數，但是不會對基礎類型的成員變數執行任何操作。如果類中含有指針類型的成員變數，那麼編譯器生成的析構函數就有可能導致資源泄露，因為編譯器生成的析構函數並不會釋放掉指針所指向的那些資源。

因此，如果類中的數據成員擁有某些外部資源的所有權，我們就需要實現一個析構函數來正確釋放掉相關資源。如果確實沒有啥資源需要手動釋放，那麼也不要寫一個空的析構函數，最好是讓編譯器生成或者將析構函數定義成=default。

拷貝操作

我們首先來看一下拷貝構造函數和拷貝賦值運算符的函數簽名。一般來說，拷貝構造函數的形參是一個常量左值引用，極少數情況下是一個非常量左值引用，但不可能是一個對象的拷貝，因為這會導致遞歸調用。對於拷貝賦值運算符，它的形參也是一個常量左值引用，極少數情況下是非常量左值引用，也有可能是一個對象的拷貝，因為拷貝賦值運算符可以通過拷貝構造函數實現，所以這種形參是合法的。

// copy constructor
Widget(const Weidget&); // The default
Widget(Widget&);        // Possible, but very likely not reasonable
Widget(Widget);         // Not possible, recursive call

// copy assignment operator
Widget& operator=(const Widget&); // The default
Widget& operator=(Widget&);       // Possible, but very likely not reasonable
Widget& operator=(Widget);        // Reasonable, builds on the copy constructor

當且僅當以下條件成立時，編譯器會生成拷貝操作：

不存在顯式聲明的拷貝操作
不存在顯式聲明的移動操作
所有的成員變數都能夠被拷貝構造或拷貝賦值

拷貝構造函數和拷貝賦值運算符的生成是獨立的：聲明了其中一個，並不會阻止編譯器生成另一個。如果用戶聲明了拷貝構造函數，但是沒有聲明拷貝賦值運算符，同時又編寫了要求拷貝賦值的程式碼，那麼編譯器就會自動生成拷貝賦值運算符，反之亦然。

編譯器生成的拷貝操作默認會按成員進行拷貝。對於指針類型的數據成員，如果執行按成員拷貝，那麼就只會拷貝成員的值，也就是拷貝指針的值。這樣一來，就會有兩個對象指向同一塊資源。當其中一個對象被析構以後，資源會被釋放，另一個對象中的指針就成了懸掛指針（Dangling Pointer）。當這個對象被析構時，它所指向的資源就會被析構兩次，記憶體的重複釋放會導致嚴重的錯誤。為了解決此問題，我們需要在拷貝構造函數和拷貝賦值運算符中執行深拷貝操作，也就是要拷貝指針指向的那一塊資源。

struct Widget {
  Widget(Wiget& other) noexcept
    : Base{other}
    , i{other.i}
    , s{other.s}
    , pr{other.pr ? new Resource(*ohter.pr) : nullptr}
  {}

  Widget& operator=(Widget&& other) {
    deleter pr; // cleanup current resource
    Base::operator=(std::move(other));
    i = other.i;
    s = other.s;
    pr = other.pr ? new Resource{*other.pr} : nullptr;
    return *this;
  }
  int i;
  std::string s;
  Resource* pr{};
};

注意在上述程式碼的拷貝賦值運算符中，我們首先刪除了當前對象所指向的資源，然後再執行相關的拷貝操作。然而，這會導致程式不能正確處理self-assignment的情況。形如Widget w{}; w = w;這樣的程式碼就會釋放掉對象w指向的資源，從而導致程式發生錯誤。幸運的是，我們可以用copy-and-swap的思想，通過一個臨時對象和swap函數來解決此問題。臨時對象在退出作用域是會自動調用析構函數，所以我們就不用擔心資源泄漏的問題。

Widget& operator=(const Widget& other) {
  Widget tmp(other);
  swap(tmp);
  return *this;
}
void swap(Widget& other) {
  std::swap(id, other.id);
  std::swap(name, other.name);
  std::swap(pr, other.pr);
}

這種做法的好處就是安全，程式碼能正確處理self-assignment的情況，但它的缺點就是性能比較一般。

移動操作

我們首先來看一下移動構造函數和移動賦值運算符的函數簽名。一般來說，移動構造函數和移動賦值運算符的形參都是一個右值引用，帶有const的形參是合法的，但是非常少見，一般也不會遇到。

// move constructor
Widget(Widget&&) noexcept;      // The default
Widget(const Widget&&) noexcept // Possible, but uncommon

// move assignment operator
Widget& operator=(Widget&&) noexcept;      // The default
Widget& operator=(const Widget&&) noexcept // Possible, but uncommon

當且僅當以下條件成立時，編譯器會生成移動操作：

不存在顯式聲明的移動操作
不存在顯式聲明的析構函數和拷貝操作
所有的數據成員都是可以被拷貝或移動

移動構造函數和移動賦值運算符的生成並不獨立：聲明了其中一個，編譯器就不會生成另一個。這樣做的原因是，如果用戶聲明了一個移動構造函數，那麼這就表明移動操作的行為將會與編譯器所生成的移動構造函數不一致。而若是按成員進行的移動操作有不合理之處，那麼按成員移動的賦值運算符極有可能同樣有不合理之處。因此，聲明移動構造函數會阻止編譯器生成移動賦值運算符，反之亦然。

與拷貝操作類似，編譯器生成的移動操作默認會按成員進行移動。顯然，如果數據成員是一個指針類型，那麼按成員移動同樣將會導致懸掛指針。所以，對於包含指針類型的類，我們需要按照下面的方式實現移動構造函數和移動賦值運算符，其中std::exchange(a, b)的作用是用b的值去替換a的值並返回a的舊值。

struct Widget {
  Widget(Wiget&& other) noexcept
    : Base{std::move(other)}
    , i{std::move(other.i)}
    , s{std::move(other.s)}
    , pr{std::exchange(other.pr, {})}
  {}

  Widget& operator=(Widget&& other) {
    deleter pr;
    Base::operator=(std::move(other));
    i = std::move(other.i);
    s = std::move(other.s);
    pr = std::exchange(other.pr, {});
  }
  int i;
  std::string s;
  Resource* pr{};
};

然而，上面這種實現方式同樣無法處理self-assignment的問題。雖然移動一個對象到它本身是一件非常奇怪的事情，一般也不會有人去寫這種程式碼，但是作為類的提供者，我們必須要盡量考慮到所有可能出現的情況。對於self-assignment這個問題，我們可以藉助copy-and-swap思想，利用一個臨時對象來解決，程式碼如下。

Widget& operator=(Widget&& other) noexcept {
  Widget tmp(std::move(other));
  swap(tmp);
  return *this;
}
~Widget() { delete pr; }

使用原生指針來管理資源會讓我們的程式碼寫起來比較困難和繁瑣。如果我們用智慧指針替換掉原生指針，那麼程式碼寫起來將會容易很多。如果我們使用unique_ptr替換掉上例中的原生指針，因為unique_ptr只能被移動不能被拷貝，所以我們只需要實現拷貝構造函數和拷貝賦值運算符（如果我們真的需要拷貝操作的話），並將默認構造函數、析構函數和移動操作聲明為=default即可。如果我們使用shared_ptr，那麼連拷貝操作也不用寫了，六個特殊成員函數群都定義成=default就完事了，不過shared_ptr會改變整個類的語義，因為所有的指針都會指向同一個資源，所以在用它的時候要多加小心。C++ Core Guideline就指出，盡量用unique_ptr而非shared_ptr，除非你是真的想共享資源的所有權。

Core Guideline R.21: Prefer unique_ptr over shared_ptr unless you need to share ownership.

最後，我們再來看下C++ Core Guideline中的The Rule of Zero以及The Rule of Five。這兩條規則的意思非常簡單，就是說我們在定義一個類的時候，如果能避免定義所有的默認操作，那就盡量不定義；如果定義或刪除了某個默認操作，那麼就定義或刪除所有的默認操作。

Core Guideline C.20: If you can avoid defining default operation, do (aka The Rule of Zero).

Core Guideline C.21: If you define or =delete any default operation, define or =delete them all (aka The Rule of Five).

Tags: C++ 學網課看書籍