C++类与对象(3)—拷贝构造函数&运算符重载

Han同学2023-11-20 22:00

目录

一、拷贝构造函数

1、定义

2、特征

3、内置与自定义类型

4、const修饰参数

5、默认生成

浅拷贝

深拷贝

6、总结

二、运算符重载

1、定义

2、判断是否相等

3、比较大小

4、赋值

5、总结

一、拷贝构造函数

1、定义

拷贝构造函数：只有单个形参，该形参是对本类类型对象的引用(一般常用const修饰)，在用已存

在的类类型对象创建新对象时由编译器自动调用。

2、特征

  • 拷贝构造函数是构造函数的一个重载形式。
  • 拷贝构造函数的参数只有一个且必须是类类型对象的引用，使用传值方式编译器直接报错，因为会引发无穷递归调用。
cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	// 拷贝构造
	Date(const Date& d)
	{

		d._year = _year;
		d._month = _month;
		d._day = _day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	date d1(2023, 2, 3);
	date d2(d1);

	return 0;
}

如果不加&引用符号，编译器会报错。

使用拷贝构造也可以用这种方式：

cpp 复制代码 
Date d3 = d1;

3、内置与自定义类型

  • 内置类型的拷贝和传参，编译器可以直接拷贝，
  • 自定义类型的拷贝和传参，需要调用拷贝构造。
    为什么需要拷贝构造呢？


用栈实现队列的时候，可能一会对st1进行析构一会对st2进行析构，成员变量指针_a指向的空间不能析构两次，而且如果分别对st1和st2赋初值，后赋值的会覆盖先赋值的数据。所以就要求它们不能指向同一块空间，各自要有各自的空间，所以C++规定：自定义类型的拷贝和传参，需要调用拷贝构造，对于栈这种需要深拷贝的拷贝构造(后续学习)，现阶段只需要知道需要拷贝构造即可。

自定义类型传参：

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

	// 拷贝构造
	// Date d2(d1);
	Date(Date& d)
	{
		d._year = _year;
		d._month = _month;
		d._day = _day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

// 传值传参
void Func1(Date d)
{

}
// 传引用传参
void Func2(Date& d)
{

}
// 传指针
void Func3(Date* d)
{

}
int main()
{
	Date d1(2023, 2, 3);
	Func1(d1);

    //Func2(d1);
    //Func3(&d1);
	return 0;
}

使用Func1传值传参 ：

在Func1(d1)处按F11会直接跳转到拷贝构造。

拷贝构造结束会进行Func1函数。

如果用Func2引用传参，就不需要拷贝构造了。

直接跳转Func2函数。

此外还可以使用以前C语言中常用的指针传参，但这种方法有点啰嗦。

cpp 复制代码 
Func3(&d1);

4、const修饰参数

拷贝构造一般会加const，如果不加，比如下面的情况，赋值方向反了，会导致原数据变成随机值。

cpp 复制代码 
	Date(Date& d)
	{
		d._year = _year;
		d._month = _month;
		d._day = _day;
	}

加上const可以避免拷贝方向错误时，原数据被修改，所以一般习惯参数前加上const。

cpp 复制代码 
	Date(const Date& d)
	{
		_year = d->_year;
		_month = d->_month;
		_day = d->_day;
	}

此外，如果被拷贝的变量是被const修饰，如果拷贝构造的参数不被const修饰，会造成引用的权限扩大，所以一定要用const修饰参数。

5、默认生成

浅拷贝

**若未显式定义，编译器会生成默认的拷贝构造函数。**默认的拷贝构造函数对象按内存存储按

字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(2023, 11, 20);
	d1.Print();
	Date d2(d1);
	d2.Print();
	return 0;
}

通过输出结果我们可以发现，没写拷贝函数，编译器会自动对内置类型拷贝。

编译器生成的默认拷贝构造函数已经可以完成字节序的值拷贝了，还需要自己显式实现吗？

当然像日期类这样的类是没必要的。

如果是自定义类型呢？程序会怎么处理？

cpp 复制代码 
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 10)
	{
		cout << "Stack(size_t capacity = 10)" << endl;

		_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));
		if (nullptr == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			exit(-1);
		}

		_size = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	void Push(const DataType& data)
	{
		// CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
private:
	DataType* _array;
	size_t    _size;
	size_t    _capacity;
};

int main()
{
	Stack st1;
	Stack st2(st1);

	return 0;
}

输出后程序会报错：

如果按照内置类型的方式对自定义类型进行拷贝， 两个Stack类的变量st1和st2的成员变量*array都指向同一块空间，这样会导致两个问题：

  1. 插入和删除数据会互相影响，比如st1先插入三个数据，st1的size为3，这时st2要插入数据，但st2的size为0，如果插入数据则会造成st1插入的数据被覆盖；同时，在析构st1时，对st1的空间进行释放，由于st1和st2的成员变量*array都指向同一块空间，这时st2再插入数据会造成对野指针的访问。
  2. 程序销毁*_array的空间时，会析构两次，程序会崩溃。

深拷贝

这时只有深拷贝才能解决自定义类型的拷贝构造。

cpp 复制代码 
	Stack(const Stack& st)
	{
		_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * st._capacity);
		if (_array == nullptr)
		{
			perror("malloc fail");
			exit(-1);
		}
		memcpy(_array, st._array, sizeof(DataType) * st._size);
		_size = st._size;
		_capacity = st._capacity;
	}

st2成功实现了拷贝构造，st2与st1的地址不同，它们不在指向同一空间了。

什么时候需要自己实现拷贝构造？

  • 当自己实现了析构函数释放空间，就需要实现拷贝构造。
cpp 复制代码 
class MyQueue
{
public:
	// 默认生成构造
	// 默认生成析构
	// 默认生成拷贝构造

private:
	Stack _pushST;
	Stack _popST;
	int _size = 0;//缺省值处理
};
  • 两个Stack类型的成员变量初始化调用默认生成构造，销毁调用它的析构函数，拷贝使用它的拷贝构造。
  • 整型变量_size初始化通过缺省值处理，内置类型出磊之后会自动销毁，不需要析构处理，可以使用默认生成拷贝构造。

6、总结

拷贝构造函数典型调用场景：

  • 使用已存在对象创建新对象
  • 函数参数类型为类类型对象
  • 函数返回值类型为类类型对象

默认生成拷贝构造：

  • 内置类型完成浅拷贝/值拷贝（按字节一个一个拷贝）
  • 自定义类型去调用这个成员的拷贝构造。

为了提高程序效率，一般对象传参时，尽量使用引用类型，返回时根据实际场景，能用引用

尽量使用引用。

二、运算符重载

1、定义

C++为了增强代码的可读性引入了运算符重载 ，运算符重载是具有特殊函数名的函数，也具有其返回值类型，函数名字以及参数列表，其返回值类型与参数列表与普通的函数类似。

  • 函数名字为：关键字operator后面接需要重载的运算符符号。
  • 函数原型：返回值类型 operator操作符(参数列表)

注意：

  • 不能通过连接其他符号来创建新的操作符：比如operator@
  • 重载操作符必须有一个类类型参数
  • 用于内置类型的运算符，其含义不能改变，例如：内置的整型+，不 能改变其含义
  • 作为类成员函数重载时，其形参看起来比操作数数目少1，因为成员函数的第一个参数为隐藏的this
  • **.* :: sizeof ? : .**注意以上5个运算符不能重载。

我们通过代码一点一点理解：

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}

//private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
//运算符重载
bool operator==(const Date& d1, const Date& d2)
{
	return d1._year == d2._year
		&& d1._month == d2._month
		&& d1._day == d2._day;
int main()
{
	Date d1(2023, 1, 1);
	Date d2(2023, 1, 1);
    //下面两种使用方式均可
	operator==(d1, d2);
	d1 == d2;//编译器会转换成去调用operator==(d1,d2);
	return 0;
}

如果要输出函数返回值，方式如下：

cpp 复制代码 
cout << (d1 == d2) << endl;//必须加括号，保证优先级
cout << operator==(d1, d2) << endl;

这里会发现，如果运算符重载成全局的就需要成员变量是公有的，否则会报错。

那么问题来了，封装性如何保证？

我们可以选择后面学习的友元处理，现阶段直接把运算符重载函数重载成成员函数即可。

2、判断是否相等

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
//运算符重载
// bool operator==(Date* this, const Date& d)
// 这里需要注意的是，左操作数是this，指向调用函数的对象
	bool operator==(const Date& d)
	{
		return _year == d._year
			&& _month == d._month
			&& _day == d._day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2023, 1, 1);
	Date d2(2023, 1, 1);
//operator内置只能使用这种形式(d1 == d2，
	cout << (d1 == d2) << endl;
	return 0;
}

3、比较大小

cpp 复制代码 
	bool operator<(const Date& d)
	{
		if (_year < d._year)
		{
			return true;
		}
		else if (_year == d._year && _month < d._month)
		{
			return true;
		}
		else if (_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day)
		{
			return true;
		}
		else
		{
			return false;
		}
	}

还可以写成这种简便形式，但上述较长的方式更直观。

cpp 复制代码 
        return _year < d._year
			|| (_year == d._year && _month < d._month)
			|| (_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);

判断小于等于我们可以借助隐藏的this指针，使用运算符重载嵌套的方式，在判断小于等于中分别调用判断小于和判断等于的运算符重载。

cpp 复制代码 
// d1 <= d2
bool operator<=(const Date& d)
{
	return *this < d || *this == d;
}

同理，判断大于、大于等于和不等于，我们也对上面的运算符重载进行复用。

cpp 复制代码 
// d1 > d2
bool operator>(const Date& d)
{
	return !(*this <= d);
}

bool operator>=(const Date& d)
{
	return !(*this < d);
}

bool operator!=(const Date& d)
{
	return !(*this == d);
}

4、赋值

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	void Print()
	{
		cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
	}
	void operator=(const Date& d)
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date d1(2023, 6, 6);
	Date d2(1, 1, 1);

	d2 = d1;
	d1.Print();
	d2.Print();

	return 0;
}

operator=就是我们的赋值运算符重载，如果我们不使用引用传值，那自定义类型会调用拷贝构造，我们使用引用传值，就避免了这些拷贝操作。

如果三个数赋值呢？

cpp 复制代码 
d3 = d2 = d1;

根据赋值操作符的右结合性，d1赋值给d2需要一个返回值才能对d3赋值。

返回值使用引用返回，避免传值返回过程中，创建临时变量和不必要的拷贝。

cpp 复制代码 
	Date& operator=(const Date& d)
	{
		_year = d._year;
		_month = d._month;
		_day = d._day;

		return *this;
	}

如果自己给自己赋值呢？那就可以不进行赋值操作了，我们添加一个判断即可。

cpp 复制代码 
	Date& operator=(const Date& d)
	{
		if (this != &d)
		{
			_year = d._year;
			_month = d._month;
			_day = d._day;
		}
		return *this;
	}

上面就是赋值运算符的完整版了。

5、总结

用户没有显式实现时，编译器会生成一个默认赋值运算符重载，以值的方式逐字节拷贝。

  • 注意：内置类型成员变量是直接赋值的，而自定义类型成员变量需要调用对应类的赋值运算符重载完成赋值，所以日期类就不需要写运算符重载函数，而类似用栈实现队列则需要。

  • 注意：如果类中未涉及到资源管理，赋值运算符是否实现都可以；一旦涉及到资源管理则必须要实现。

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