前言

在C++中，特殊成員函數(shù)指的是那些編譯器在需要時會自動生成的成員函數(shù)。C++98中有四種特殊的成員函數(shù)，分別是默認構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、拷貝構(gòu)造函數(shù)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(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符也加入了特殊成員函數(shù)的大家庭。本文主要基于Klaus Iglberger在CppCon 2021上發(fā)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(shù)的特點以及它們的生成機制。

默認構(gòu)造函數(shù)

當且僅當以下條件成立時，編譯器會生成一個默認構(gòu)造函數(shù)：

• 沒有顯式聲明的構(gòu)造函數(shù)
• 所有的數(shù)據(jù)成員和基類都擁有自己的默認構(gòu)造函數(shù)

如果用戶聲明了自己的構(gòu)造函數(shù)，那么編譯器就不會再去生成一個默認構(gòu)造函數(shù)；如果用戶沒有聲明構(gòu)造函數(shù)，但是類中包含了一個沒有默認構(gòu)造函數(shù)的數(shù)據(jù)成員，那么編譯器也不會生成默認構(gòu)造函數(shù)。

數(shù)據(jù)成員初始化

編譯器生成默認構(gòu)造函數(shù)會初始化所有類類型的數(shù)據(jù)成員，但是并不會初始化基礎類型的數(shù)據(jù)成員。以下面的代碼為例，第六行代碼會調(diào)用默認構(gòu)造函數(shù)將成員變量s初始化為空字符串，但是并不會初始化整型成員變量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量，可以使用值初始化，只需在聲明對象時添加一對大括號即可，見上述代碼第8行。如果沒有聲明默認構(gòu)造函數(shù)，值初始化會zero-initialize整個對象，然后default-initializes所有non-trivial的數(shù)據(jù)成員。以上面的代碼為例，使用值初始化后，i被初始化為0，s仍然被初始化為空字符串，而pi被初始化為nullptr。如果用戶聲明了默認構(gòu)造函數(shù)，那么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(gòu)造函數(shù)，我們可以初始化類中的數(shù)據(jù)成員。但是需要注意賦值和初始化的區(qū)別。在下面的代碼中，我們實現(xiàn)了兩個默認構(gòu)造函數(shù)（僅僅為了說明賦值和初始化的區(qū)別，不代表類中能夠?qū)崿F(xiàn)兩個默認構(gòu)造函數(shù)）。在第一個默認構(gòu)造函數(shù)中，所有的成員在函數(shù)體內(nèi)執(zhí)行賦值操作。對于基礎類型來說還好，但是對于類類型或者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(gòu)造函數(shù)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;
};

對于數(shù)據(jù)成員的初始化，C++ Core Guideline定義了兩條規(guī)則。首先，我們要按照數(shù)據(jù)成員在類中的定義順序來初始化數(shù)據(jù)成員；其次，盡量在構(gòu)造函數(shù)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(gòu)函數(shù)

當用戶沒有顯式聲明析構(gòu)函數(shù)時，編譯器會生成一個析構(gòu)函數(shù)。編譯器生成的析構(gòu)函數(shù)會調(diào)用類類型成員變量的析構(gòu)函數(shù)，但是不會對基礎類型的成員變量執(zhí)行任何操作。如果類中含有指針類型的成員變量，那么編譯器生成的析構(gòu)函數(shù)就有可能導致資源泄露，因為編譯器生成的析構(gòu)函數(shù)并不會釋放掉指針所指向的那些資源。

因此，如果類中的數(shù)據(jù)成員擁有某些外部資源的所有權(quán)，我們就需要實現(xiàn)一個析構(gòu)函數(shù)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，那么也不要寫一個空的析構(gòu)函數(shù)，最好是讓編譯器生成或者將析構(gòu)函數(shù)定義成=default。

拷貝操作

我們首先來看一下拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值運算符的函數(shù)簽名。一般來說，拷貝構(gòu)造函數(shù)的形參是一個常量左值引用，極少數(shù)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(diào)用。對于拷貝賦值運算符，它的形參也是一個常量左值引用，極少數(shù)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(gòu)造函數(shù)實現(xiàn)，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
• 所有的成員變量都能夠被拷貝構(gòu)造或拷貝賦值

拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值運算符的生成是獨立的：聲明了其中一個，并不會阻止編譯器生成另一個。如果用戶聲明了拷貝構(gòu)造函數(shù)，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代碼，那么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。對于指針類型的數(shù)據(jù)成員，如果執(zhí)行按成員拷貝，那么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(gòu)以后，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(gòu)時，它所指向的資源就會被析構(gòu)兩次，內(nèi)存的重復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(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值運算符中執(zhí)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{};
};

注意在上述代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，然后再執(zhí)行相關的拷貝操作。然而，這會導致程序不能正確處理self-assignment的情況。形如Widget w{}; w = w;這樣的代碼就會釋放掉對象w指向的資源，從而導致程序發(fā)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(shù)來解決此問題。臨時對象在退出作用域是會自動調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，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，代碼能正確處理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(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符的函數(shù)簽名。一般來說，移動構(gòu)造函數(shù)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(gòu)函數(shù)和拷貝操作
• 所有的數(shù)據(jù)成員都是可以被拷貝或移動

移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符的生成并不獨立：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(gòu)造函數(shù)，那么這就表明移動操作的行為將會與編譯器所生成的移動構(gòu)造函數(shù)不一致。而若是按成員進行的移動操作有不合理之處，那么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(gòu)造函數(shù)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(shù)據(jù)成員是一個指針類型，那么按成員移動同樣將會導致懸掛指針。所以，對于包含指針類型的類，我們需要按照下面的方式實現(xiàn)移動構(gòu)造函數(shù)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的值并返回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(xiàn)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代碼，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(xiàn)的情況。對于self-assignment這個問題，我們可以借助copy-and-swap思想，利用一個臨時對象來解決，代碼如下。

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代碼寫起來比較困難和繁瑣。如果我們用智能指針替換掉原生指針，那么代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(xiàn)拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值運算符（如果我們真的需要拷貝操作的話），并將默認構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)和移動操作聲明為=default即可。如果我們使用shared_ptr，那么連拷貝操作也不用寫了，六個特殊成員函數(shù)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(quán)。

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

最后，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(guī)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，那么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).

總結(jié) 

到此這篇關于C++特殊成員函數(shù)以及其生成機制的文章就介紹到這了,更多相關C++特殊成員函數(shù)及生成機制內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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