我们通常会说当生命一个 class 时,如果我们不为该 class 指定一个 constructor,那么编译器会替我们实现一个 connstructor,那么这种说法一定对吗?

事实上,这是不对的。这个不是我说的,是深入理解C++对象模型说的,原话是:

C++新手一般有两个常见的误解:

  1. 任何 class 如果没有定义 default constructor,就会被合成出一个来。                                    
  2. 编译器合成出来的 default constructor 会明确设定 "class 内每一个 data member 的默认值。
 
首先解释第一点,只有四种情况才会导致 ”编译器必须为未声明 constructor 之 classes 合成一个 default constructor“。被合成出来的 constructor 只能满足编译器(而非程序)的需要。它们之所以能够完成任务,是借着 “调用 member object 或base class 的 default constructor” 或是 “为每一个 object 初始化其virtual function 机制或 virtual base class 机制”而完成。至于没有存在那四种情况,而又没有声明任何 constructor 的 classes,我们说它拥有的是 implicit trivial(浅薄而无能,没啥用的),它们实际上并不会被合成出来。

下面分别讨论上述四种合成 constructor 的情况:

情况一:一个 class 内含一个 member object,且其 member object 拥有 default constructor

class Foo { public: Foo(), Foo( int ) ... };
class Bar { public: Foo foo; char* str; }; //不是继承,是包含 void foo_bar(){
Bar bar; //Bar::foo 必须在此处初始化
//译注:Bar::foo是一个member object,而其 class Foo 拥有default constructor,符合本小节主题
if( str ) { } ...
}

此时 class Bar 内含一个 member object Foo,并且 Foo 有 default constructor Foo(),那么编译器就会为 Bar 合成一个 default constructor,看起来像这样:

//Bar 的 default constructor 可能会这样合成
//被 member foo 调用 class Foo 的 default constructor
inline
Bar::Bar(){
//C++伪码
foo.Foo::Foo();
}

再一次请你注意,被合成的 default constructor 只满足编译器的需要,而不是程序的需要,为了让这个程序片段能够正确执行,字符指针 str 也需要初始化,那么程序员可能会这么做:

Bar::Bar() { str = ; }  //程序员定义的 default constructor  

此时编译器还需要初始化 member object foo,但是由于 default constructor 已经被程序员明确定义出来了,编译器没办法合成第二个。编译器采取的行动是:“如果 class A 内含一个或一个以上的 member class object,那么 class A 的每一个 constructor 必须调用每一个 member classes 的 default constructor”,编译器会向用户程序员的 constructors 前面插入必要的 default constructor。插入后可能像这样:

//插入后的 default constructor
//C++伪码
Bar::Bar(){
foo.Foo::Foo(); //插入的 compiler code
str = ; //explicit user code
}

如果有多个 class member objects 都要求初始化操作,将如何做呢?C++会按照 “member objects 在 class 中的声明次序“ 来调用各个 consructors。这一点由编译器完成。并且如果某个 member object 的 default constructor 被程序员定义过了,它照样会被按顺序调用。如:

//程序员对 Snow_White 类所写的 default constructor,显示初始化一个 member object
Snow_White::Snow_White() : sneezy( ){
mumble =
}

它会被扩张为:

Snow_White::Snow_White() : sneezy( ) {
//插入 member class onject
//调用其 constructor
dopey.Dopey::Dopey();
sneezy.Sneezy::Sneezy();
bashfun.Bashfun::Bashful(); //explicit user code
mumble = ;
}

情况二:带有 “default constructor” 的 base class

类似的道理,如果一个没有任何 constructors 的 class 派生自一个 ”带有 default constructor“ 的 base class,那么这个 derived class 的 default constructor 会被是为 nontrivial,并且因此需要被合成出来,它将调用上一层 base classes 的 default constructor(根据它们的声明次序)。对一个后继派生的 class 而言,这个合成的 constructor 和一个 ”被明确提供的 default constructor” 其实没什么区别。
 
如果设计者提供多个 constructors(比如带 int 参数的 constructor),但其中都没有 default constructor 呢? 编译器会扩张现有的每一个 constructors,在前面插入 base class 的 default constructor。如果有成员 member object,同样按顺序调用。
 
 
 

情况三:带有一个 “virtual Function” 的 class

如果一个 class 声明或继承一个 virtual function,并且缺乏由用户声明的 constructors,编译器会详细记录合成一个 default constructor 的必要信息。如:

class Widget{
public:
virtual void filp() = ;
...
} void filp( const Widget& widget ) { widget.filp(); } //假设 Bell 和 Whistle 都派生自 Widget
void foo(){
Bell b;
Whistle w; filp( b );
filp( w );
}

下面两个扩张步骤在编译期间发生:

  1. 一个 virtual function table (在 cfront 中被称为 vtbl)会被编译器产生出来,内放 class 的 virtual functions 地址。
  2. 在每一个 class onject 中,一个额外的 pointer member(也就是 vptr)会被编译器合成出来,内含相关的 class vtbl 的地址。
此外,widget.filp() 的虚拟引发操作(virtual invocation)会被重新改写(实际上就是虚函数调用传入的 this 会变化),以使用 widget 的 vptr 和 vtbl 中的 filp() 条目:

//widget.filp() 的虚拟引发操作(virtual invocation)的转变
// (* widget.vptr[ 1 ] )( &widget )
其中:
  • 1 表示 filp() 在 virtual table 中的固定索引
  • &widget 代表要交给 “被调用的某个 filp() 函数实体” 的 this 指针
为了让这个机制发挥功效,编译器必须为每一个 Widget(或其派生类之)object 的 vptr 设定初始值,放置适当的 virtual table 地址,对于 class 所定义的每一个 constructor,编译器会插入类似前文所说的伪码来做这样的事情。对于那些什么都没有声明的 classes,编译器则就像本文主题,为它们合成一个 default constructor,以便正确的初始化每一个 class object 的 vptr。(你可以理解,vptr 必须赋初值,就像我们平时用的指针,不用是赋NULL一样)。
 
 

情况四:带有一个 ”virtual base class“ 的 class

virtual base class 的实现法在不同的编译器之间有极大差异。然后每一种实现法的共通点在于必须是 virtual base class 在其每一个 derived class object 中的位置,能够与执行期准备妥当。例如下面的代码中:

class X { public: int i; };
class A : public virtual X { public: int j; };
class B : public virtual X { public: double d; };
class C : public A, pulic B { public: int k; }; //无法在编译使其决定(resolve)出pa->X::i 的位置
void foo( const A* pa) { pa->i = ; } main()
{
foo( new A );
foo( new C );
// ...
}
编译器无法固定住 foo() 函数之中"经由 pa 而存取的 X::i“ 的实际偏移位置,因为 pa 的真正类型可以改边,编译器必须改变 ”执行存取操作“ 的那些码,使 X::i 可以延迟至执行期才决定下来。
做法通常是在 “derived class object 的每一个 virtual base classes 中安插一个指针”(相当于一个中间件)。所有“经由 reference 或 pointer 来存取一个 virtual base class” 的操作可以通过相关指针完成。在我的例子中,foo() 可以被改写如下,以符合这样的实现策略:

//可能的编译器转变操做,中间加了一层
void foo( const A* pa ) { pa->__vbcX->i = ; }
其中,__vbcX表示编译器产生的指针,指向 virtual base class X。__vbcX是在 class 构造期间完成的。对于 class 所定义的每一个 constructor,编译器会安插哪些 ”允许每一个 virtual base class 的执行期存取操作“ 的码。如果 class 没有声明任何 constructors,编译器必须为它合成一个 default constructor。(最后这点我的理解是,像这种多态指针不能固定下来,我们需要给它指一个方向,不能让它乱指,所以编译器会合成default constructor)。
 
 
好了,前面解释了唯有的四种编译器会为未声明 constructor 的 classes 合成一个 default constructor 的情况。现在解释一下这句:
  • 编译器合成出来的 default constructor 会明确设定 "class 内每一个 data member 的默认值
在合成的 default constructor 中,只有 base class subobject 和 member objects 会被初始化。所有其他的 nonstatic data member,如整数、整数指针、整数数组等等都不会被初始化,这些初始化操作对程序而言或许又需要,但对编译器则并非必要。如果一个程序需要 "把某指针设为 0” 的 default constructor,那么提供它的人应该是程序员。

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