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拷贝
拷贝是任何一门编程语言都必不可少的操作。在 C++ 里,拷贝有等号拷贝和构造拷贝之分:
Foo foo, foo2;
Foo foo2 = foo; // 等号拷贝
Foo foo3(foo); // 构造拷贝
等号拷贝是显式的,总得有个等号 =
在那才行。构造拷贝是隐式的,除了上面示例代码里那种直接写出构造函数的情况,在使用以值传递作为参数和以值返回的函数时,都会发生构造拷贝:
/// 传入 foo 时,发生了一次实参到形参的构造拷贝
Foo func(Foo foo) {
Foo foo2;
// do somthing
return foo2;
}
/// 返回时,发生了一次 foo2 到返回值的的构造拷贝
类的等号拷贝和构造拷贝都是可以重载的。如果不重载,默认的拷贝模式是对每个类成员依次执行拷贝。
什么时候需要不可拷贝类
考虑一种情况,我们要实现一个含有动态数组成员的类,其中动态数组成员在构造函数中 new 出来,在析构函数中 delete 掉。比如说这样一个矩阵类:
template<typename _T>
class Matrix {
public:
int w;
int h;
_T* data;
// 构造函数
Matrix(int _w, int _h): w(_w), h(_h){
data = new _T[w*h];
}
// 析构函数
~Matrix() {
delete [] data;
}
}
我们在这个类中用两个 int 数 w
和 h
代表矩阵的列数和行数,用一个长度为 w*h
的动态数组 data[]
存储矩阵数据。data
在构造函数中分配内存,在析构函数中释放内存。这里我们没有重载拷贝函数,那么如果拷贝这个类,会发生什么呢?
/// 测试1:等号拷贝
void copy(){
Matrix<double> m1(3,3);
Matrix<double> m2(3,3);
m1 = m2;
}
/// 测试2:传参和返回中的构造拷贝
template<typename _T>
Matrix<_T> copy(Matrix<_T> cpy) {
Matrix<_T> ret(3,3);
return ret;
}
上面的测试 1 中,我们先构造了 m1
和 m2
两个 Matrix
实例,这意味着他们各自开辟了一块动态内存来存储矩阵数据。然后我们使用 =
将 m2
拷贝给 m1
,这时候 m1
的每个成员(w
,h
,data
)都被各自使用 =
运算符拷贝为和 m2
相同的值。m1.data
是个指针,所以就和 m2.data
指向了同一块的内存。于是这里就会出现两个问题:其一, 发生拷贝前 m1.data
指向的动态内存区在拷贝后不再拥有指向它的有效指针,无法被释放,于是发生了内存泄露;其二,在 copy()
结束后,m1
和 m2
被销毁,各自调用析构函数,由于他们的 data
指向同一块内存,于是发生了双重释放。
测试 2 中也有类似问题。当调用 copy(Matrix<_T> cpy)
时,形参 cpy
拷贝自实参,而 cpy
会在函数结束时销毁,cpy.data
指向的内存被释放,所以实参的矩阵数据也被销毁了——这显然是我们不愿意看见的。同样的,在返回时,ret
随着函数结束而销毁,返回值因为拷贝自 ret
,所以其矩阵数据也被销毁了。
因此,对于像 Matrix
这样的类,我们不希望这种拷贝发生。一个解决办法是重载拷贝函数,每次拷贝就开辟新的动态内存:
Matrix<_T>& operator = (const Matrix<_T>& cpy) {
w = cpy.w;
h = cpy.h;
delete [] data;
data = new _T[w*h];
memcpy(data, cpy.data, sizeof(_T)*w*h);
return *this;
}
Matrix(const Matrix<_T>& cpy):w(cpy.w), h(cpy.h) {
data = new _T[w*h];
memcpy(data, cpy.data, sizeof(_T)*w*h);
}
这样做也有不好的地方。频繁开辟动态内存,当数据量很大时(比如图像处理),对程序性能是有影响的。在接口设计的角度考虑,应该把这种拷贝操作以较明显的形式提供给用户,比如禁用等号拷贝,以直接的函数代替 =
操作:
void copyFrom(const Matrix<_T>& cpy) {
w = cpy.w;
h = cpy.h;
delete [] data;
data = new _T[w*h];
memcpy(data, cpy.data, sizeof(_T)*w*h);
}
再禁用构造拷贝,只允许用户以引用传递的办法在自定义函数中使用 Matrix
类。
那么,如何禁止拷贝操作呢?
实现不可拷贝类
使用 boost::noncopyable
Boost 作为 C++ 万金油工具箱,在 <boost/noncopyable.hpp>
下提供了不可拷贝类的实现,使用起来也非常简单,让自己的类继承自 boost::noncopyable
即可:
class Matrix : boost::noncopyable
{
// 类实现
}
声明拷贝函数为私有
如果不想用第三方库,自己实现呢?不妨先看一下 Boost 是怎么做的:
private: // emphasize the following members are private
noncopyable( const noncopyable& );
noncopyable& operator=( const noncopyable& );
嗯,直接把拷贝函数声明为私有的不就等于禁用了么,so smart!于是:
template<typename _T>
class Matrix
{
private:
Matrix(const Matrix<_T>&);
Matrix<_T>& operator = (const Matrix<_T>&);
}
C++ 11 下使用 delete 关键字
C++ 11 中为不可拷贝类提供了更简单的实现方法,使用 delete 关键字即可:
template<typename _T>
class Matrix
{
public:
Matrix(const Matrix<_T>&) = delete;
Matrix<_T>& operator = (const Matrix<_T>&) = delete;
}
其他
关于类似 Matrix
矩阵类的实现,更高级的做法是像智能指针一样封装其内部数据,用内部计数器来确定动态分配的成员是否要释放掉,不过这是另外一个问题了。