条款45: 弄清C++在幕后为你所写、所调用的函数

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2023-12-01

条款45: 弄清C++在幕后为你所写、所调用的函数

一个空类什么时候不是空类？ ---- 当C++编译器通过它的时候。如果你没有声明下列函数，体贴的编译器会声明它自己的版本。这些函数是：一个拷贝构造函数，一个赋值运算符，一个析构函数，一对取址运算符。另外，如果你没有声明任何构造函数，它也将为你声明一个缺省构造函数。所有这些函数都是公有的。换句话说，如果你这么写：

class Empty{};

和你这么写是一样的：

class Empty {
public:
Empty(); // 缺省构造函数
Empty(const Empty& rhs); // 拷贝构造函数

~Empty(); // 析构函数 ---- 是否
// 为虚函数看下文说明
Empty&
operator=(const Empty& rhs); // 赋值运算符

Empty* operator&(); // 取址运算符
const Empty* operator&() const;
};

现在，如果需要，这些函数就会被生成，但你会很容易就需要它们。下面的代码将使得每个函数被生成：

const Empty e1; // 缺省构造函数
// 析构函数

Empty e2(e1); // 拷贝构造函数

e2 = e1; // 赋值运算符

Empty *pe2 = &e2; // 取址运算符
// (非const)

const Empty *pe1 = &e1; // 取址运算符
// (const)

假设编译器为你写了函数，这些函数又做些什么呢？是这样的，缺省构造函数和析构函数实际上什么也不做，它们只是让你能够创建和销毁类的对象（对编译器来说，将一些 "幕后" 行为的代码放在此处也很方便 ---- 参见条款33和M24。）。注意，生成的析构函数一般是非虚拟的（参见条款14），除非它所在的类是从一个声明了虚析构函数的基类继承而来。缺省取址运算符只是返回对象的地址。这些函数实际上就如同下面所定义的那样：

inline Empty::Empty() {}

inline Empty::~Empty() {}

inline Empty * Empty::operator&() { return this; }

inline const Empty * Empty::operator&() const
{ return this; }

至于拷贝构造函数和赋值运算符，官方的规则是：缺省拷贝构造函数（赋值运算符）对类的非静态数据成员进行 "以成员为单位的" 逐一拷贝构造（赋值）。即，如果m是类C中类型为T的非静态数据成员，并且C没有声明拷贝构造函数（赋值运算符），m将会通过类型T的拷贝构造函数（赋值运算符）被拷贝构造（赋值）---- 如果T有拷贝构造函数（赋值运算符）的话。如果没有，规则递归应用到m的数据成员，直至找到一个拷贝构造函数（赋值运算符）或固定类型（例如，int，double，指针，等）为止。默认情况下，固定类型的对象拷贝构造（赋值）时是从源对象到目标对象的 "逐位" 拷贝。对于从别的类继承而来的类来说，这条规则适用于继承层次结构中的每一层，所以，用户自定义的构造函数和赋值运算符无论在哪一层被声明，都会被调用。

我希望这已经说得很清楚了。

但怕万一没说清楚，还是给个例子。看这样一个NamedObject模板的定义，它的实例是可以将名字和对象联系起来的类：

template<class T>
class NamedObject {
public:
NamedObject(const char *name, const T& value);
NamedObject(const string& name, const T& value);

...

private:
string nameValue;
T objectValue;
};

因为NamedObject类声明了至少一个构造函数，编译器将不会生成缺省构造函数；但因为没有声明拷贝构造函数和赋值运算符，编译器将生成这些函数（如果需要的话）。

看下面对拷贝构造函数的调用：

NamedObject<int> no1("Smallest Prime Number", 2);

NamedObject<int> no2(no1); // 调用拷贝构造函数

编译器生成的拷贝构造函数必须分别用no1.nameValue和no1.objectValue来初始化no2.nameValue和no2.objectValue。nameValue的类型是string，string有一个拷贝构造函数（你可以在标准库中查看string来证实 ---- 参见条款49），所以no2.nameValue初始化时将调用string的拷贝构造函数，参数为no1.nameValue。另一方面，NamedObject<int>::objectValue的类型是int（因为这个模板实例中，T是int），int没有定义拷贝构造函数，所以no2.objectValue是通过从no1.objectValue拷贝每一个比特(bit)而被初始化的。

编译器为NamedObject<int>生成的赋值运算符也以同样的方式工作，但通常，编译器生成的赋值运算符要想如上面所描述的那样工作，与此相关的所有代码必须合法且行为上要合理。如果这两个条件中有一个不成立，编译器将拒绝为你的类生成operator=，你就会在编译时收到一些诊断信息。

例如，假设NamedObject象这样定义，nameValue是一个string的引用，objectValue是一个const T：

template<class T>
class NamedObject {
public:
// 这个构造函数不再有一个const名字参数，因为nameValue
// 现在是一个非const string的引用。char*构造函数
// 也不见了，因为引用要指向的是string
NamedObject(string& name, const T& value);

... // 同上，假设没有
// 声明operator=
private:
string& nameValue; // 现在是一个引用
const T objectValue; // 现在为const
};

现在看看下面将会发生什么：

string newDog("Persephone");
string oldDog("Satch");

NamedObject<int> p(newDog, 2); // 正在我写本书时，我们的
// 爱犬Persephone即将过
// 她的第二个生日

NamedObject<int> s(oldDog, 29); // 家犬Satch如果还活着，
// 会有29岁了（从我童年时算起）

p = s; // p中的数据成员将会发生
// 些什么呢？

赋值之前，p.nameValue指向某个string对象，s.nameValue也指向一个string，但并非同一个。赋值会给p.nameValue带来怎样的影响呢？赋值之后，p.nameValue应该指向 "被s.nameValue所指向的string" 吗，即，引用本身应该被修改吗？如果是这样，那太阳从西边出来了，因为C++没有办法让一个引用指向另一个不同的对象（参见条款M1）。或者，p.nameValue所指的string对象应该被修改吗？这样的话，含有 "指向那个string的指针或引用" 的其它对象也会受影响，也就是说，和赋值没有直接关系的其它对象也会受影响。这是编译器生成的赋值运算符应该做的吗？

面对这样的难题，C++拒绝编译这段代码。如果想让一个包含引用成员的类支持赋值，你就得自己定义赋值运算符。对于包含const成员的类（例如上面被修改的类中的objectValue）来说，编译器的处理也相似；因为修改const成员是不合法的，所以编译器在隐式生成赋值函数时也会不知道怎么办。还有，如果派生类的基类将标准赋值运算符声明为private，编译器也将拒绝为这个派生类生成赋值运算符。因为，编译器为派生类生成的赋值运算符也应该处理基类部分（见条款16和M33），但这样做的话，就得调用对派生类来说无权访问的基类成员函数，这当然是不可能的。

以上关于编译器生成函数的讨论引发了这样的问题：如果想禁止使用这些函数，那该怎么办呢？也就是说，假如你永远不想让类的对象进行赋值，所以有意不声明operator=，那该怎么做呢？这个小难题的解决方案正是条款27讨论的主题。指针成员和编译器生成的拷贝构造函数及赋值运算符之间的相互影响经常被人忽视，关于这个话题的讨论请查看条款11。