C++类与对象(3)—拷贝构造函数运算符重载

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。
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：

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：

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。

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。

	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。

	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。

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？

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。

	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。
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：

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：

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

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

	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。

        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。

// 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。 

// 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

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？

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。

 

	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。 

	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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