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C++踩坑记录：构造与析构函数

发表于 更新于
本文字数： 8.6k 阅读时长 ≈ 8 分钟

我是练习时长一年的 C++ 个人练习生，喜欢野指针、模板报错和未定义行为（undefined behavior）。之前在写设计模式的『工厂模式』时，一脚踩到了构造、继承和 new 组合起来的坑，现在也有时间来整理一下了。

构造函数

众所周知：在创建对象时，防止有些成员没有被初始化导致不必要的错误，在创建对象的时候自动调用构造函数（无声明类型），完成成员的初始化。即：

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Class c // 隐式，默认构造函数
Class c = Class() // 显示，默认构造函数
Class c = Class("name") // 显示，非默认构造函数 
Class* c = new Class // 隐式，默认构造函数
  • 构造函数执行前，对象不存在
  • 构造函数创建对象后，对象不能调用构造函数
  • 类中如果不定义构造函数，编译器提供有默认的构造函数，无参数，也不执行任何额外的语句
  • 如果提供非默认构造函数，没有默认构造函数将会出错。所以要定义一个不接受任何参数的构造函数，并为成员定义合理的值
  • 一般而言，默认的构造函数是用来对所有类成员做隐式初始化的
  • 自己定义的构造函数一般用使用列表初始化来初始化参数
  • 通过构造函数对成员赋值，要优于通过函数为成员赋值
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#include <iostream>
using namespace std;

class Stone {
private:
    int weight{0};
    double radius{0.0};
public:
    Stone() {
        cout << "Class Stone was created by default creator" << endl;
    };
    Stone(int w, double r) : weight{w}, radius{r} {
        cout << "Class Stone was created by custom creator" << endl;
    }
    void showInfo() {
        cout << "Weight: " << this->weight << ", Radius: " 
             << this->radius << endl;
    }
};

int main (){
    // 隐式，成员有默认值
    Stone s1;
    s1.showInfo();
    // 显式，通过列表初始化，为成员赋值
    Stone s2 = Stone(12, 3.3);
    s2.showInfo();
    return 0;
}

通过构造函数实现的类型转换

观察以下的代码，我们发现 Stone s2;s2 = 3.3; 这样将一个 double 类型的数据赋值给类类型并没有出错，这是隐式类型转换，从参数类型到类类型。

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#include <iostream>
using namespace std;

class Stone {
private:
    int weight{0};
    double radius{0.0};
public:
    Stone() {
        cout << this << endl;
        cout << "Class Stone was created by default creator" << endl;
    };
    Stone(double r) : radius{r} {
        cout << this << endl;
        cout << "Class Stone was created by parameter radius" << endl;
    }
    Stone(int w) : weight{w} {
        cout << this << endl;
        cout << "Class Stone was created by parameter weight" << endl;
    }
    void showInfo() {
        cout << "Weight: " << this->weight << ", Radius: " 
             << this->radius << endl;
    }
};

int main (){
    Stone s2 = 3.3; // Class Stone was created by parameter radius
    s2.showInfo();
    return 0;
}

这是因为：接受一个参数的构造函数允许使用赋值语法来为对象赋值。s2=3.3 会创建 Stock(double) 临时对象，临时对象初始化后，逐成员赋值的方式复制到对象中，在几个构造函数中加入了 cout << this 的语句，由对象的地址不同，可以判断该赋值语句额外生成了临时对象。

为了防止隐式转换带来的危险，可以使用关键字 explicit 关闭这一特性，这样就得显式完成参数类型到类类型的转换：s = Stock(1.3)；不过，得保证没有二义性。

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#include <iostream>
using namespace std;

class Stone {
private:
    int weight{0};
    double radius{0.0};
public:
    Stone() {
        cout << this << endl;
        cout << "Class Stone was created by default creator" << endl;
    };
    // 都关闭
    explicit Stone(double r) : radius{r} {
        cout << this << endl;
        cout << "Class Stone was created by parameter radius" << endl;
    }
    explicit Stone(int w) : weight{w} {
        cout << this << endl;
        cout << "Class Stone was created by parameter weight" << endl;
    }
    void showInfo() {
        cout << "Weight: " << this->weight << ", Radius: " 
             << this->radius << endl;
    }
};

int main (){
    // Stone s2 = 1; // 错误
    Stone s2{1}; // 正确
    s2.showInfo();
    return 0;
}

上述代码中，如果 Stone(int w) 没有被关闭，那么 s2=3.3 将调用这一构造函数。所以构造函数建议都加上 explicit 声明。

explicit 关键字与构造函数

前文提到过，如果构造函数加上了这个 explicit 限制，那么一些隐式的调用将不被允许，以函数返回为例：

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#include <iostream>

class A{
public:
    int* arr;
    int b;
    A() = default;
    A(int c) {
        std::cout << "para constructor was called" << std::endl;
        arr = new int[c];
        b = c;
        for (int i = 0; i < b; i++)
            arr[i] = i;
    }
    explicit A(A const& B) {
        std::cout << "copy constructor was called" << std::endl;
        this->b = B.b;
        this->arr = new int[b];
        for (int i = 0; i < b; i++) {
            this->arr[i] = B.arr[i];
        }
    }
    explicit A(A&& B) {
        std::cout << "move constructor was called" << std::endl;
        this->b = B.b;
        this->arr = B.arr;
        B.arr = nullptr;
    }
    void show_addr() {
        std::cout << this << std::endl;
    }
};

// 这个函数错误
// A create_data() {
//     A a(10);
//     a.show_addr();
//     return a;
// }

int main () {
    A a(10); // para constructor，复制消除，只调用一次构造函数
    a.show_addr();
    A b{a}; // copy constructor
    A c{std::move(a)}; // copy constructor
    b.show_addr();
    c.show_addr();
    // std::cout << a.arr[2] << std::endl;
    return 0;
}

如上的程序中有很多的细节：

  1. 构造函数使用了成员初始化列表。减少一次构造函数；常量成员，引用类型等，因为常量只能初始化，引用必须定义的时候初始化，所以必须放在初始化列表里面。
  2. 将拷贝构造函数和移动构造函数声明为 explicit，导致 create_data 函数出错，这是因为：返回局部变量要进行 move/copy，就算有复制消除也要保证构造函数可见，因为局部变量东西都在函数的栈上，外面要接的话就要复制/移动出去。因此不建议对构造函数增加 explicit 关键字。
  3. 复制消除：在满足以下任一条件时，编译器将省略类对象的复制和移动构造，导致零复制的按值传递语义：
    1. 在 return 语句中，当操作数是一个与函数返回类型相同的类类型的纯右值时
    2. 在对象的初始化中，当初始化器表达式是一个与变量类型相同的类类型的纯右值时

也就是，A a = A() 这种理论上需要两次构造函数的语句，只需要执行一次构造函数。

派生类的构造函数

派生类要注意的是：派生类被构造之前，通过调用一个基类的构造函数，创建基类完成基类数据成员的初始化；也就是说，基类对象在程序进入派生类构造函数之前被创建。那么，可以通过初始化列表传递给基类参数，不传递的话，调用基类的默认的构造函数，如下述程序中的：Gem(){}:Stone()。

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#include <iostream>
using namespace std;

class Stone {
private:
    int weight{0};
    double radius{0.0};
public:
    Stone() {
        cout << "This object was in address: " << this << endl;
    };
    Stone(int w, double r) : weight{2}, radius{r} {};
    void showInfo() {
        cout << "Weight: " << this->weight << ", Radius: " << this->radius;
    }
    int getWeight(){
        return this->weight;
    }
    auto getRadius() -> double {
        return this->radius;
    }
};

class Gem : public Stone {
private:
    double price;
public:
    Gem(){};
    Gem(double p, int w, double r) : Stone(w, r), price{p} {};
    void show() {
        cout << "Weight: " << this->getWeight() << ", Radius" 
             << this->getRadius();
    }
};

int main (){
    Gem g1; // call default
    Gem g2 = Gem(1300, 1, 2.3); // call custom 
    // g.setWeight(130);
    g2.show();
    return 0;
}
  • 首先创建基类对象
  • 派生类通过初始化列表（只能用在构造函数）将基类信息传递给基类的构造函数
  • 派生类构造函数可以为派生类初始化新的成员

析构函数

对象过期时，程序会调用对象的析构函数完成一些清理工作，如释放变量开辟的空间等。如构造函数使用了 new 来申请空间，析构就需要 delete 来释放空间。如果没有特别声明析构函数，编译器会为类提供默认的析构函数，在对象作用域到期、被删除时自动被调用。

如 stock1 = Stock()，这种就申请了一个临时变量，变量消失时会调用析构函数。此外，这种局部变量放在栈区，先入后出，也就是，最后被申请的变量最先被释放。

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#include <iostream>
using namespace std;

class Stone {
private:
    int weight{0};
    double radius{0.0};
public:
    Stone() {
        cout << "This object was in address: " << this << endl;
    };
    ~Stone() {
        cout << this << " Object was deleted." << endl;
    }
};

int main (){
    {
        Stone s1;
        Stone s2;
    }
    return 0;
}

继承中的析构函数

继承类比较容易理解，毕竟都学过面向对象。公有继承的时候，基类的公有成员也是派生类的共有成员；私有成员也是派生类的一部分，不过需要共有或保护方法来访问。但是但是但是，派生类和基类的析构函数之间，也是一个坑。在继承中：

  • 如果一个方法不是虚方法，那么将根据引用类型或指针类型选择执行的方法
  • 如果一个方法是虚方法，将根据指针或引用指向对象的类型选择执行的方法

在继承中，对象的销毁顺序和创建相反。创建时先创建基类，而后创建子类；销毁时，先调用子类的析构函数，而后自动调用基类的析构函数。因此，对于基类而言，建议将析构函数写成虚方法。如果析构不是虚方法，对于以下情况，只有基类的析构被调用；如果析构是虚方法，子类、基类的析构方法都被调用。可以尝试删除下述代码的 virtual 来观察结果：

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#include <iostream>
using namespace std;

class Stone {
private:
    int weight{0};
    double radius{0.0};
public:
    Stone() {
        cout << "This object was in address: " << this << endl;
    };
    Stone(int w, double r) : weight{2}, radius{r} {};
    void showInfo() {
        cout << "Weight: " << this->weight << ", Radius: " 
             << this->radius;
    }
    int getWeight(){
        return this->weight;
    }
    auto getRadius() -> double {
        return this->radius;
    }
    virtual ~Stone() {
        cout << "Stone class was deleted." << endl;
    }
};

class Gem : public Stone {
private:
    double price;
public:
    Gem() {};
    Gem(double p, int w, double r) : Stone(w, r), price{p} {};
    void show() {
        cout << "Weight: " << this->getWeight() << ", Radius" 
             << this->getRadius();
    }
    ~Gem() {
        cout << "Gem class was deleted." << endl;
    }
};

int main (){
    Stone* s1 = new Gem(2.3, 2, 3.2);
    delete s1;
    // Gem* g1 = new Gem(2.3, 2, 1.2);
    // delete g1;
    return 0;
}

应用

大概常见的坑在上面都记录好了，来看一段我写的危险的程序（我大概抽象了一下），覆盖了：野指针和为定义行为：

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#include <iostream>
using namespace std;

class A {
private:
    int* a;
public:
    int* create() {
        a = new int();
        return a;
    }
    ~A(){
        delete a;
    }
};

int main () {
    A a;
    int* b = a.create();
    delete b;
    return 0;
}
  1. 每次调用 create 都会 new 一次，但只 delete 了一次。
  2. 如果没有调用 create 直接析构，未定义行为
  3. 如果 b 持有了 a.create() 的指针，然后 a 提前析构，那么 b 是野指针
  4. delete b 是没必要的。这样会 double free，也是未定义行为
  5. 上述代码没有区分类里面 new 且 返回的东西要在哪删除合适
  6. 可以让类来管理这一个 new，修改一下 create 的实现或者干脆在构造 new，在析构 delete
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