【转载】C++ 与“类”有关的注意事项总结（十二）：按成员初始化 与 按成员赋值

原文：C++ 与“类”有关的注意事项总结（十二）：按成员初始化 与 按成员赋值

一、按成员初始化（与构造函数和拷贝构造函数有关）

用一个类对象初始化另一个类对象，比如：

Account oldAcct( "Anna Livia Plurabelle" ); 
Account newAcct( oldAcct );

被称为缺省的按成员初始化（default memberwise initialization），缺省是因为它自动发生，无论我们是否提供显式构造函数，按成员是因为初始化的单元是单个非静态数据成员，而不是对整个类对象的按位拷贝。

例如，Account 类的第一个定义：  
class Account { 
public: 
// ... 
 
private: 
char *_name; 
unsigned int _acct_nmbr; 
double _balance; 
};

我们可以认为缺省的 Account 拷贝构造函数被定义如下：

inline Account:: 
Account( const Account &rhs ) 
{ 
_name = rhs._name; 
_acct_nmbr = rhs._acct_nmbr; 
_balance = rhs._balance; 
}

用一个类对象初始化该类另一个对象 发生在下列程序情况下：

1 用一个类对象显式地初始化另一个类对象，例如：  
Account newAcct( oldAcct );

2 把一个类对象作为实参传递给一个函数，例如： 
extern bool cash_on_hand( Account acct ); 
if ( cash_on_hand( oldAcct )) 
// ...

把一个类对象作为一个函数的返回值传递回来，例如：

extern Account 
consolidate_accts( const vector< Account >& ) 
{ 
Account final_acct; 
 
// do the finances ... 
 
return final_acct; 
}

3 非空顺序容器类型的定义，例如：  
// 五个 string 拷贝构造函数被调用 
vector < string > svec( 5 ); 
     （在本例中，用 string 缺省构造函数创建一个临时对象，然后通过 string 拷贝构造函数，该临时对象被依次拷贝到vector 的五个元素中。）

4 把一个类对象插入到一个容器类型中，例如：  
svec.push_back( string( "pooh" ));

对于大多数实际的类定义， 由于考虑到类的安全性以及用法正确性，所以说缺省的按成员初始化是不够的，最经常出现的情况是 一个类的数据成员是一个指向堆内存的指针，并且这块内存将由该类的析构函数删除，就如Account 类中的_name 成员一样 。

在缺省按成员初始化之后，newAcct._name 和 oldAcct._name 指向同一个 C风格字符串，如果 oldAcct 离开了域， 并且 Account 的析构函数被应用在其上，则 newAcct._name 现在指向一个被删除了的内存区；另一种情况是 如果newAcct 修改了由_name 指向的字符串 则 oldAcct也会受到影响，这种指向错误很难跟踪 。

指针”别名 (aliasing) 问题”的一种解决方案是，分配该字符串的第二个拷贝 ，并初始化 newAcct._name 以指向这份新的拷贝，为实现这一点，我们必须改变 Account 类的缺省按成员初始化，我们通过提供一个显式的拷贝构造函数来做到这一点。

类的内部语义也可能使缺省的按成员初始化无效，比如前面所解释的，不能有两个Account 类的对象持有同一个帐号，为了保证这一点，我们必须改变 Account 类的缺省按成员初始化，下面是解决这两个问题的拷贝构造函数：

inline Account:: 
Account( const Account &rhs ) 
{ 
// 处理指针别名问题 
_name = new char[ strlen(rhs._name)+1 ]; 
strcpy( _name, rhs._name ); 
 
// 处理帐号惟一性问题 
_acct_nmbr = get_unique_acct_nmbr(); 
 
// ok: 现在可以按成员拷贝 
_balance = rhs._balance; 
}

除了提供拷贝构造函数，另一种替代的方案是完全不允许按成员初始化，这可以通过下列两个步骤实现：  
    1 把拷贝构造函数声明为私有的，这可以防止按成员初始化发生在程序的任何一个地方（除了类的成员函数和友元之外）。  
    2 通过有意不提供一个定义，但是，我们仍然需要第 1 步中的声明，可以防止在类的成员函数和友元中出现按成员初始化。C++语言不会允许我们阻止类的成员函数和友元访问任何私有类成员，但是通过不提供定义，任何试图调用拷贝构造函数的动作虽然在编译系统中是合法的，但是会产生链接错误， 因为无法为它找到可解析的定义。  
    例如，为了不允许 Account 类的按成员初始化 我们必须如下声明该类：

class Account { 
public: 
Account(); 
Account( const char*, double=0.0 ); 
// ... 
private: 
Account( const Account& ); 
// ... 
};

二、成员类对象的初始化

把 C风格字符串的_name 声明，替换成 string 类类型的_name 声明，会发生什么变化？

缺省的按成员初始化依次检查每个成员，如果成员是内置或复合数据类型，则直接执行从成员到成员的初始化。例如，在我们原来的Account 类定义中，因为_name 是一个指针，所以它直接被初始化：

newAcct._name = oldAcct._name;

但是成员类对象的处理则不同，当我们写以下语句时：

Account newAcct( oldAcct );

这两个对象就被识别为 Account 类对象，如果 Account 类提供了一个显式的拷贝构造函数则调用它以完成初始化，否则应用缺省的按成员初始化；类似地，当一个成员类对象被识别出来时，则递归应用相同的过程。

在我们的例子中， string 类提供了显式拷贝构造函数，通过调用该拷贝构造函数，_name被初始化。 现在我们可以认为 缺省Account 拷贝构造函数被定义如下：

inline Account:: 
Account( const Account &rhs ) 
{ 
_acct_nmbr = rhs._acct_nmbr; 
_balance = rhs._balance; 
 
// C++伪代码 
// 说明调用了一个类成员 
// 对象的拷贝构造函数 
_name.string::string( rhs._name ); 
}

Account 类的缺省按成员初始化过程现在可以正确地处理_name 的分配和释放，但是 拷贝帐号仍然不正确 ；因此，我们仍然必须提供一个显式的拷贝构造函数，下面的代码不是十分正确。你能看出为什么吗？

// 不太对 
inline Account:: 
Account( const Account &rhs ) 
{ 
  _name = rhs._name; 
_balance = rhs._balance; 
_acct_nmbr = get_unique_acct_nmbr(); 
}

该实现不完全正确是因为我们没有区分开初始化和赋值，结果，调用的不是string 拷贝构造函数，而是在隐式初始化阶段调用了缺省的 string 构造函数，并且在构造函数体内调用了string 拷贝赋值操作符。修正很简单：

inline Account:: 
Account( const Account &rhs ) 
: _name( rhs._name ) 
{ 
_balance = rhs._balance; 
_acct_nmbr = get_unique_acct_nmbr(); 
}

再次强调 ，真正的工作是在一开始就意识到我们需要提供一个修正 两个实现的结果都是_name 持有 rhs._name 的值， 只不过 第一个实现要求做两次重复工作，一个一般性的规则是：在成员初始化表中初始化所有的成员类对象 。

三、按成员赋值（与拷贝赋值操作符有关）

缺省的按成员赋值（ default memberwise assignment ），所处理的是 用一个类对象向该类的另一个对象的赋值操作，其机制基本上与缺省的按成员初始化相同；但是它利用了一个隐式的拷贝赋值操作符来取代拷贝构造函数，例如：

newAcct = oldAcct;

在缺省情况下，用 oldAcct 的相应成员的值依次向 newAcct 的每个非静态成员赋值，在概念上就好像编译器已经生成下列拷贝赋值操作符：

inline Account& 
Account:: 
operator=( const Account &rhs ) 
{ 
  _name = rhs._name; 
  _balance = rhs._balance;

_acct_nmbr = rhs._acct_nmbr; 
}

一般来说，如果缺省的按成员初始化对于一个类不合适，则缺省的按成员赋值也不合。例如，对于原来的 Account 类的定义来说，其中_name 被声明为 char*类型 _name 和_acct_nmbr 的按成员赋值就都不合适了。  
     通过提供一个显式的拷贝赋值操作符的实例，可以改变缺省的按成员赋值，我们在这操作符实例中实现了正确的类拷贝语义，拷贝赋值操作符的一般形式如下：

// 拷贝赋值操作符的一般形式 
className& 
className:: 
operator=( const className &rhs ) 
{ 
// 保证不会自我拷贝 
if ( this != &rhs ) 
{ 
  // 类拷贝语义在这里 
} 
 
// 返回被赋值的对象 
return *this; 
}

这里条件测试是：  
if ( this != &rhs )

应该防止一个类对象向自己赋值， 因为对于（先释放与该对象当前相关的资源 ，以便分配与被拷贝对象相关的资源）这样的拷贝赋值操作符 拷贝自身尤其不合适。例如 ，考虑Account拷贝赋值操作符：

Account& 
Account:: 
operator=( const Account &rhs ) 
{ 
// 避免向自身赋值 
if ( this != &rhs ) 
{ 
  delete [] _name; 
  _name = new char[strlen(rhs._name)+1]; 
  strcpy( _name,rhs._name ); 
  _balance = rhs._balance; 
  _acct_nmbr = rhs._acct_nmbr; 
} 
return *this; 
}

当一个类对象被赋值给该类的另一个对象时，如

newAcct = oldAcct;

下面几个步骤就会发生：

1 检查该类，判断它是否提供了一个显式的拷贝赋值操作符；  
    2 如果是， 则检查访问权限，判断是否在这个程序部分它可以被调用；

3 如果它不能被调用，则会产生一个编译时刻错误，否则，调用它执行赋值操作；  
    4 如果该类没有提供显式的拷贝赋值操作符，则执行缺省按成员赋值；  
    5 在缺省按成员赋值下，每个内置类型或复合类型的数据成员被赋值给相应的成员；  
    6 对于每个类成员对象，递归执行1到 6 步，直到所有内置或复合类型的数据成员都被赋值。

例如，如果我们再次修改 Account 类的定义，使_name 为一个 string 类型的成员类对象 ，则：

newAcct = oldAcct;

会调用缺省的按成员赋值，就好像编译器为我们生成了下面的拷贝赋值操作符：

inline Account& 
Account:: 
operator=( const Account &rhs ) 
{ 
_balance = rhs._balance; 
_acct_nmbr = rhs._acct_nmbr; 
 
// 即使在程序员这个层次上, 
// 这个调用也是正确的 
// 等同于简短形式: _name = rhs._name 
_name.string::operator=( rhs._name ); 
}

但是 Account 类对象的缺省按成员赋值仍然不合适，同为_acct_nmbr 成员也被按成员拷贝了，我们仍然必须提供一个显式的拷贝赋值操作符， 但是它以成员类 string 对象的方式来处理 name ：

Account& 
Account:: 
operator=( const Account &rhs ) 
{ 
// 避免类对象向自身赋值 
if ( this != &rhs ) 
{ 
  // 调用 string::operator=(const string& ) 
  _name = rhs._name; 
  _balance = rhs._balance; 
} 
 
return *this; 
}

如果希望完全禁止按成员拷贝的行为，那么就需要像禁止按成员初始化一样，将操作符声明为 private，并且不提供实际的定义。

一般来说，应该将拷贝构造函数和拷贝赋值操作符视为一个个体单元，因为在我们需要其中一个的时候，往往也需要另外一个；而试图禁止一个的时候，也很可能需要禁止另一个。