BestProg
С++. Конструктор копирования. Примеры использования. Передача объекта класса в функцию. Возврат класса из функции
В данной теме рассмотрена работа конструктора копирования на примере unmanaged ( native ) классов. При рассмотрении данной темы рекомендуется прочитать тему:
Содержание
Поиск на других ресурсах:
1. Какое назначение конструктора копирования ( copy constructor )?
Конструктор копирования – это специальный конструктор, который позволяет получить идентичный к заданному объект. То есть, с помощью конструктора копирования можно получить копию уже существующего объекта. Конструктор копирования еще называется инициализатором копии ( copy initializer ). Конструктор копирования должен получать входным параметром константную ссылку ( & ) на объект такого же класса.
⇑
2. В каких случаях вызывается конструктор копирования?
Конструктор копирования вызывается в случаях, когда нужно получить полную копию объекта. В C++ полная копия объекта нужна в трех случаях.
Случай 2. Когда нужно передать объект в функцию как параметр-значение. В этом случае создается полная копия объекта.
Случай 3. Когда нужно вернуть объект из функции по значению. В этом случае также создается полная копия объекта.
⇑
3. В каких случаях целесообразно использовать конструктор копирования?
Если в классе нету динамического выделения памяти для данных, то конструктор копирования можно не использовать. В этом случае побитового копирования (по умолчанию) достаточно для корректной работы класса. Исключение, если при инициализации объекта другим объектом нужно установить некоторые специальные условия копирования.
⇑
4. Пример объявления конструктора копирования в классе, где нет динамического выделения памяти
Данный пример носит демонстрационный характер. Для класса, где нет динамического выделения памяти использовать конструктор копирования необязательно.
Демонстрация использования конструктора копирования в некотором программном коде (методе)
⇑
5. Пример передачи объекта класса в функцию как параметр-значение
Использование функции в другом программном коде
⇑
6. Пример возврата объекта класса из функции по значению с помощью конструктора копирования
Объявление класса точно такое же как в п. 4.
Демонстрация использования функций
⇑
7. Как осуществляется копирование объектов, когда в классе отсутствует конструктор копирования?
Если в классе не объявлен конструктор копирования, то используется конструктор копирования, который автоматически генерируется компилятором. Этот конструктор копирования реализует побитовое копирование для получения копии объекта.
Побитовое копирование есть приемлемым для классов, в которых нет динамического выделения памяти. Однако, если в классе есть динамическое выделение памяти (класс использует указатели), то побитовое копирование приведет к тому, что указатели обоих объектов будут указывать на один и тот же участок памяти. А это ошибка.
Урок №141. Конструктор копирования
Обновл. 13 Сен 2021 |
Вспомним все типы инициализации, которые поддерживает язык C++: прямая инициализация, uniform-инициализация и копирующая инициализация.
Конструктор копирования
Рассмотрим примеры всех вышеприведенных инициализаций на практике, используя следующий класс Drob:
Мы можем выполнить прямую инициализацию:
В C++11 мы можем выполнить uniform-инициализацию:
И, наконец, мы можем выполнить копирующую инициализацию:
С прямой инициализацией и uniform-инициализацией создаваемый объект непосредственно инициализируется. Однако с копирующей инициализацией дела обстоят несколько сложнее. Мы рассмотрим это детально на следующем уроке. Но перед этим нам еще нужно кое в чём разобраться.
Рассмотрим следующую программу:
Результат выполнения программы:
Рассмотрим детально, как работает эта программа.
Конструктор копирования — это особый тип конструктора, который используется для создания нового объекта через копирование существующего объекта. И, как в случае с конструктором по умолчанию, если вы не предоставите конструктор копирования для своих классов самостоятельно, то язык C++ создаст public-конструктор копирования автоматически. Поскольку компилятор мало знает о вашем классе, то по умолчанию созданный конструктор копирования будет использовать почленную инициализацию. Почленная инициализация означает, что каждый член объекта-копии инициализируется непосредственно из члена объекта-оригинала. Т.е. в примере, приведенном выше, dCopy.m_numerator будет иметь значение sixSeven.m_numerator ( 6 ), а dCopy.m_denominator будет равен sixSeven.m_ denominator ( 7 ).
Так же, как мы можем явно определить конструктор по умолчанию, так же мы можем явно определить и конструктор копирования. Конструктор копирования выглядит следующим образом:
? Побитовое и почленное копирование в C++
Поверхностное копирование
Этот метод отлично работает, когда ни один из членов класса не является сырым указателем. Поскольку конструктор копирует только содержимое указателей вместо данных, на которые те ссылаются, мы получаем два объекта, ссылающихся на один и тот же адрес в памяти. Эти объекты не являются независимыми копиями – если мы изменим один из них, изменение будет видно и в другом.
Поверхностное (неглубокое) копирование – простой и дешевый способ, который можно реализовать просто копируя каждый бит объекта. Такой способ известен и как побитовое копирование.
Чтобы продемонстрировать, как работает неглубокое копирование, давайте взглянем на простой класс прямоугольника:
Поскольку этот класс не содержит указателей, созданного компилятором конструктора копирования достаточно для получения независимых копий. В функции main мы создаем новый экземпляр на основе существующего объекта, затем вносим изменения в один объект и отображаем оба. Ниже показан код функции main и результат её работы:
Функция main 
Результат main
Измененный класс Rectangle
Выполнение той же функции main выдает другой результат:
Новый результат main
Диаграмма, иллюстрирующая поверхностное копирование » data-src=»https://media.proglib.io/posts/2021/06/05/69e0c06736f799d8d4fa6869f41f0a77.png» > Диаграмма, иллюстрирующая поверхностное копирование
Глубокое копирование ещё называют почленным. Чтобы реализовать его для нашего класса, нужно более подробно изучить конструктор копирования и оператор присваивания.
Конструктор копирования и оператор присваивания
Конструктор копирования позволяет создать новый экземпляр класса, который является точной копией существующего. Объявление конструктора копирования выглядит следующим образом:
Как и любой другой конструктор он не возвращает значения и обычно принимает в качестве аргумента ссылку (константу) на исходный объект. Строго говоря, внутри конструктора копирования мы можем делать все, что захотим, но чтобы избежать путаницы, рекомендуется реализовать ожидаемое поведение. Также возможно, что нам захочется предотвратить копирование экземпляров классов. В таком случае можно удалить конструктор копирования:
Конструктор копирования вызывается многократно в разных ситуациях. Самый очевидный случай – когда мы явно создаем новый объект на основе другого экземпляра класса:
Всякий раз, когда объект передается функции по значению, копия аргумента должна быть создана, поэтому конструктор копирования вызывается для инициализации локального аргумента. Именно поэтому нельзя передавать аргументы по значению конструктору копирования – это запустит бесконечную рекурсию.
Мы должны помнить, что конструктор копирования по-прежнему является конструктором и используется только для инициализации нового объекта. Но как быть, если мы хотим присвоить значение экземпляра существующему объекту?
Оператор присваивания – это метод, который используется для выполнения присваивания. Как и в случае с конструктором копирования, C++ предоставляет оператор присваивания по умолчанию.
Пример объявления оператора присваивания:
Оператор присваивания и конструктор копирования реализованы аналогично, хотя есть некоторые заметные различия. Во-первых, мы видим, что оператор присваивания возвращает ссылку на экземпляр, потому что в C ++ разрешены объединенные в цепочку присваивания:
В приведённом выше примере оператор присваивания вызывается для rectangle2 с rectangle3 в качестве аргумента. Затем оператор для rectangle1 вызывается со ссылкой, возвращенной из предыдущего вызова в качестве аргумента. Также необходимо учитывать возможность самоприсваивания:
Наконец, в отличие от конструктора копирования, оператор присваивания перезаписывает существующие объекты, ресурсы которых могут быть выделены в куче. Он должен освободить эти ресурсы, чтобы предотвратить утечку памяти.
При определении этих методов нужно всегда помнить о правиле трех. Оно гласит, что если класс определяет один из следующих методов, он должен явно определить все три метода:
Реализация глубокого копирования
Конструктор копирования для класса Rectangle выглядит следующим образом:
Добавив эти методы в класс, запускаем основную программу, чтобы убедиться в независимости копий:
Новый результат main Диаграмма, иллюстрирующая глубокое копирование » data-src=»https://media.proglib.io/posts/2021/06/05/836793ff66a4c535cc6fdfee1520d750.png» > Диаграмма, иллюстрирующая глубокое копирование
Выводы
Предоставляемые C++ по умолчанию к онструктор копирования и оператор присваивания выполняют поверхностное копирование, которое подходит для классов без указателей. В классах с динамически выделенными членами конструктор копирования и оператор присваивания должны быть определены таким образом, чтобы они выполняли глубокое копирование.
Конструкторы (C++)
При необходимости конструкторы могут получить список инициализации элемента. Это более эффективный способ инициализации членов класса, чем назначение значений в теле конструктора. В следующем примере показан класс Box с тремя перегруженными конструкторами. Последние два списка инициализации элементов use:
При объявлении экземпляра класса компилятор выбирает конструктор для вызова на основе правил разрешения перегрузки:
Списки инициализаторов членов
Использование списка инициализаторов членов предпочтительнее, чем назначение значений в теле конструктора, так как он непосредственно Инициализирует элемент. В следующем примере показан список инициализаторов членов, состоящий из всех выражений идентификаторов (аргументов) после двоеточия:
Идентификатор должен ссылаться на член класса; он инициализируется значением аргумента. Аргумент может быть одним из параметров конструктора, вызовом функции или std:: initializer_list T >.
const члены и члены ссылочного типа должны быть инициализированы в списке инициализаторов членов.
В списке инициализаторов должны быть сделаны вызовы для параметризованных конструкторов базового класса, чтобы гарантировать, что базовый класс полностью инициализирован до выполнения производного конструктора.
Конструкторы по умолчанию
Конструкторы по умолчанию обычно не имеют параметров, но могут иметь параметры со значениями по умолчанию.
Конструкторы по умолчанию являются одной из специальных функций элементов. Если в классе не объявлен ни один конструктор, компилятор предоставляет неявный inline конструктор по умолчанию.
Если вы полагаетесь на неявный конструктор по умолчанию, обязательно инициализируйте элементы в определении класса, как показано в предыдущем примере. Без этих инициализаторов члены будут неинициализированы, а вызов Volume () создаст значение мусора. Как правило, рекомендуется инициализировать элементы таким образом, даже если не полагается на неявный конструктор по умолчанию.
Можно запретить компилятору создавать неявный конструктор по умолчанию, определив его как Удаленный:
Созданный компилятором конструктор по умолчанию будет определен как удаленный, если какие-либо члены класса не являются конструируемым по умолчанию. Например, все члены типа класса и их члены типа класса должны иметь доступ к конструктору по умолчанию и деструкторам, которые доступны. Все элементы данных ссылочного типа, а также const члены класса должны иметь инициализатор членов по умолчанию.
При вызове конструктора, созданного компилятором по умолчанию, и попытке использовать круглые скобки выдается предупреждение:
Это пример проблемы Most Vexing Parse (наиболее неоднозначного анализа). Поскольку выражение примера можно интерпретировать как объявление функции или как вызов конструктора по умолчанию и в связи с тем, что средства синтаксического анализа C++ отдают предпочтение объявлениям перед другими действиями, данное выражение обрабатывается как объявление функции. Дополнительные сведения см. в разделе досадной Parse.
В случае явного объявления конструкторов компилятор не предоставляет конструктор по умолчанию:
Если у класса нет конструктора по умолчанию, массив объектов этого класса не может быть создан только с помощью синтаксиса двух квадратных скобок. Например, в представленном выше блоке кода массив Boxes не может быть объявлен следующим образом:
Однако можно использовать набор списков инициализаторов для инициализации массива объектов Box:
Дополнительные сведения см. в разделе инициализаторы.
Конструкторы копии
Конструктор копии Инициализирует объект, копируя значения элементов из объекта того же типа. Если все члены класса являются простыми типами, такими как скалярные значения, конструктор копий, созданный компилятором, достаточно, и вам не нужно определять собственный. Если для класса требуется более сложная инициализация, необходимо реализовать пользовательский конструктор копии. Например, если член класса является указателем, необходимо определить конструктор копии, чтобы выделить новую память и скопировать значения из объекта, указывающего на другой объект. Созданный компилятором конструктор копий просто копирует указатель, так что новый указатель по-прежнему указывает на расположение в памяти другого.
Конструктор копии может иметь одну из следующих сигнатур:
При определении конструктора копии необходимо также определить оператор присваивания копирования (=). Дополнительные сведения см. в разделе конструкторы присваивания и копирования и операторы присваивания копирования.
Вы можете запретить копирование объекта, определив конструктор копии как удаленный:
Попытка копирования объекта приводит к ошибке C2280: попытка ссылки на удаленную функцию.
Конструкторы перемещения
Конструктор перемещения — это специальная функция-член, которая перемещает владение данными существующего объекта в новую переменную без копирования исходных данных. Он принимает в качестве первого параметра ссылку rvalue, а все дополнительные параметры должны иметь значения по умолчанию. Конструкторы перемещения могут значительно повысить эффективность программы при передаче больших объектов.
Если класс не определяет конструктор перемещения, компилятор создает неявный экземпляр, если не существует объявленного пользователем конструктора копии, оператора присваивания копирования, оператора присваивания перемещения или деструктора. Если явный или неявный конструктор перемещения не определен, операции, в которых в противном случае использовался конструктор перемещения, используют вместо этого конструктор копий. Если класс объявляет конструктор перемещения или оператор присваивания перемещения, неявно объявленный конструктор копии определяется как удаленный.
Неявно объявленный конструктор перемещения определяется как удаленный, если какие-либо члены, являющиеся типами классов, не имеют деструктора или компилятор не может определить, какой конструктор использовать для операции перемещения.
Дополнительные сведения о написании нетривиальных конструкторов перемещения см. в разделе конструкторы перемещения и операторы присваивания перемещения (C++).
Явно заданные по умолчанию и удаленные конструкторы
конструкторы constexpr
Конструкторы списка инициализаторов
Затем создайте объекты Box следующим образом:
Явные конструкторы
Если у класса имеется конструктор с одним параметром, или у всех параметров, кроме одного, имеются значения по умолчанию, тип параметра можно неявно преобразовать в тип класса. Например, если у класса Box имеется конструктор, подобный следующему:
то возможно инициализировать объект Box следующим образом:
Или передать целое значение функции, принимающей объект Box:
В некоторых случаях подобные преобразования могут быть полезны, однако чаще всего они могут привести к незаметным, но серьезным ошибкам в вашем коде. В качестве общего правила следует использовать explicit ключевое слово в конструкторе (и определяемых пользователем операторах) для предотвращения такого рода неявного преобразования типов:
Порядок создания
Конструктор выполняет свою работу в следующем порядке.
Вызывает конструкторы базовых классов и членов в порядке объявления.
Если класс является производным от виртуальных базовых классов, конструктор инициализирует указатели виртуальных базовых классов объекта.
Если класс имеет или наследует виртуальные функции, конструктор инициализирует указатели виртуальных функций объекта. Указатели виртуальных функций указывают на таблицу виртуальных функций класса, чтобы обеспечить правильную привязку вызовов виртуальных функций к коду.
Выполняет весь код в теле функции.
В следующем примере показан порядок, в котором конструкторы базовых классов и членов вызываются в конструкторе для производного класса. Сначала вызывается конструктор базового класса, затем инициализируются члены базового класса в порядке их появления в объявлении класса. После этого вызывается конструктор производного класса.
Выходные данные будут выглядеть следующим образом.
Если базовый класс не имеет конструктор по умолчанию, в конструкторе производного класса необходимо указать параметры конструктора базового класса.
Если конструктор создает исключение, то удаление выполняется в порядке, обратном созданию.
Отменяется код в теле функции конструктора.
Объекты базовых классов и объекты-члены удаляются в порядке, обратном объявлению.
Если конструктор не является делегирующим, удаляются все полностью созданные объекты базовых классов и объекты-члены. Однако поскольку сам объект создан не полностью, деструктор не выполняется.
Производные конструкторы и расширенная агрегатная инициализация
если конструктор базового класса не является открытым, но доступен для производного класса, то нельзя использовать пустые фигурные скобки для инициализации объекта производного типа в /std:c++17 режиме, а затем в Visual Studio 2017 и более поздних версиях.
В следующем примере показана соответствующая реакция на событие в C++14:
в следующем примере показано поведение c++ 17 в Visual Studio 2017 и более поздних версиях в /std:c++17 режиме:
Конструкторы для классов с несколькими наследованиями
Если класс является производным от нескольких базовых классов, конструкторы базовых классов вызываются в том порядке, в котором они перечислены в объявлении производного класса.
Должны выводиться следующие выходные данные:
Делегирующие конструкторы
Делегирующий конструктор вызывает другой конструктор в том же классе для выполнения некоторой работы по инициализации. Это полезно, если у вас есть несколько конструкторов, которые должны выполнять одинаковую работу. Можно написать основную логику в одном конструкторе и вызвать ее из других. В следующем тривиальном примере Box (int) делегирует свою работу Box (int, int, int):
Объект, созданный конструкторами, полностью инициализируется сразу после выполнения любого конструктора. Дополнительные сведения см. в разделе Делегирование конструкторов.
Наследование конструкторов (C++11)
Производный класс может наследовать конструкторы от прямого базового класса с помощью объявления, using как показано в следующем примере:
Visual Studio 2017 и более поздних версий: инструкция в /std:c++17 режиме и более поздних версиях предоставляет все конструкторы из базового класса, за исключением тех, которые имеют идентичную сигнатуру для конструкторов в производном классе. Обычно, если в производном классе не объявляются новые данные-члены или конструкторы, оптимальным решением будет использовать наследуемые конструкторы.
Шаблон класса может наследовать все конструкторы от аргумента типа, если этот тип определяет базовый класс:
Производный класс не может наследовать от нескольких базовых классов, если у этих базовых классов есть конструкторы с идентичными сигнатурами.
Конструкторы и составные классы
Классы, содержащие члены типа класса, называются составными классами. При создании члена типа класса составного класса конструктор вызывается перед собственным конструктором класса. Если у содержащегося класса нет конструктора по умолчанию, необходимо использовать список инициализации в конструкторе составного класса. В предыдущем примере StorageBox при присвоении типу переменной-члена m_label нового класса Label необходимо вызвать конструктор базового класса и инициализировать переменную m_label в конструкторе StorageBox :
Конструктор копирования в С++
Когда новички изучают программирование, первым делом, при рассмотрении новой темы, возникает вопрос – для чего необходима та или иная “вещь” о которой сейчас предстоит узнать. Ответим сразу на этот вопрос: “Зачем нужен конструктор копирования?”.
Конструктор копирования необходим для того, чтобы мы могли создавать “реальные” (а не побитовые) копии для объектов класса. Такая копия объекта может понадобиться в следующих случаях:
При передаче объекта в функцию как параметра по значению, эта функция начнет работать с его побитовой копией, а не с полями самого объекта. Допустим определены конструктор и деструктор класса. Первый память выделяет, а второй её освобождает. Во время работы функции, указатель побитовой копии объекта указывает на адрес памяти, где расположен оригинальный объект.
В то время, когда работа функции завершается – удаляется и побитовая копия объекта. При ее удалении обязательно сработает определённый деструктор и освободит ту память, что занята объектом-оригиналом. Программа продолжит работу, и при завершении работы, деструктор сработает повторно, пытаясь освободить все тот же отрезок памяти. Это вызовет ошибку программы.
Использование конструктора копирования – прекрасный способ обойти эти ошибки и проблемы. Он создаст “реальную” копию объекта, которая будет иметь личную область динамической памяти.
Конструктор копирования синтаксически выглядит так:
Ниже разберём несложный, но очень показательный пример. В нём будут рассмотрены все 3 случая в которых желательно применять конструктор копирования. Будет создан класс, содержащий конструктор без параметров, конструктор копирования и деструктор.
Чтобы пример был не слишком громоздким, конструкторы и деструктор будут выводить на экран сообщения типа “Сработал конструктор”, “Сработал дектруктор”… Выделять и освобождать память не будем.
Нам отлично будет видно сколько раз сработают конструкторы а сколько раз деструктор. Очевидно, что деструктор (если бы он освобождал память) не должен срабатывать большее количество раз, чем конструктор, выделяющий память.
Конструктор без параметров будет вызываться во время создания новых объектов класса. Конструктор копирования – во время создания копий объекта. Деструктор срабатывает при удалении и реального объекта и его копии. В теле функций все описано подробно и не требует дополнительных комментариев.
Запустив программу увидим в консоли следующее:
При выходе из этой функции сработал деструктор, так как копия объекта уничтожается. Кстати, то, что передача объекта как параметра по значению, вызывает конструктор копирования, служит отличным поводом для передачи объекта по ссылке. Это сэкономит и время и память.
Если же мы закомментируем /*конструктор копирования*/ в классе и снова запустим программу – увидим, что конструктор без параметров сработает 2 раза, а деструктор – пять раз отработает.
В этой ситуации, если бы деструктор освобождал память — в программе возникла бы ошибка.