网站备案查询 站长的怎么实现,免费seo在线优化,深圳做企业网站公司,微信开放平台登录0 应该将构造函数、赋值操作以及析构函数设计为一组匹配的操作。
在C中#xff0c;构造函数、赋值操作符和析构函数共同管理对象的资源生命周期。为确保资源安全且一致地处理#xff0c;需将它们作为一组匹配的操作设计。以下是关键要点#xff1a;
为何需要协同设计…0 应该将构造函数、赋值操作以及析构函数设计为一组匹配的操作。
在C中构造函数、赋值操作符和析构函数共同管理对象的资源生命周期。为确保资源安全且一致地处理需将它们作为一组匹配的操作设计。以下是关键要点
为何需要协同设计 资源管理一致性 若类管理动态内存、文件句柄等资源构造函数分配资源析构函数释放资源。赋值操作符需先释放旧资源再分配新资源。三者协同避免内存泄漏或重复释放。 避免浅拷贝问题 默认生成的拷贝操作是成员级浅拷贝。若类含指针需自定义拷贝构造函数和赋值操作符进行深拷贝否则多个对象指向同一资源析构时导致未定义行为。 移动语义的正确性 移动操作移动构造函数/赋值需转移资源所有权确保被移动对象处于有效但未定义状态。析构函数需正确处理已转移的资源。 设计原则 三/五法则 三法则若显式定义析构函数、拷贝构造函数或拷贝赋值操作符中的任意一个通常需显式定义全部三者。五法则扩展至移动操作若需移动语义需定义移动构造函数和移动赋值操作符共五个函数。 RAII模式 资源在构造函数中获取析构函数中释放。赋值操作符确保旧资源正确释放后再复制或移动新资源。 禁用不需要的操作 若类不应被拷贝或移动使用 delete 明确删除相关函数避免编译器生成不安全版本。 示例动态数组管理
class Array {
public:// 构造函数分配资源Array(size_t size) : size_(size), data_(new int[size]) {}// 析构函数释放资源~Array() { delete[] data_; }// 拷贝构造函数深拷贝Array(const Array other) : size_(other.size_), data_(new int[other.size_]) {std::copy(other.data_, other.data_ size_, data_);}// 拷贝赋值操作符释放旧资源后深拷贝Array operator(const Array other) {if (this ! other) {delete[] data_; // 释放旧资源size_ other.size_;data_ new int[size_]; // 分配新资源std::copy(other.data_, other.data_ size_, data_);}return *this;}// 移动构造函数转移资源所有权Array(Array other) noexcept : size_(other.size_), data_(other.data_) {other.data_ nullptr; // 避免析构时释放资源other.size_ 0;}// 移动赋值操作符释放旧资源后转移所有权Array operator(Array other) noexcept {if (this ! other) {delete[] data_; // 释放旧资源data_ other.data_; // 接管新资源size_ other.size_;other.data_ nullptr;other.size_ 0;}return *this;}private:size_t size_;int* data_;
};关键实践
自赋值检查在赋值操作符中处理 a a 的情况避免释放自身资源。异常安全确保赋值操作符在分配新资源失败时对象仍保持有效状态。移动后置空移动操作后将源对象资源置空防止析构函数重复释放。
通过统一设计构造函数、赋值操作和析构函数可确保对象生命周期内资源管理的正确性避免常见错误。
1 使用构造函数为类建立不变量。
在面向对象编程中类的不变量class invariant 是对象在整个生命周期内必须始终满足的逻辑条件。构造函数的核心职责之一就是在对象创建时建立并强制这些不变量确保对象从诞生起就处于有效状态。 为什么要用构造函数建立不变量
防御非法状态 禁止创建违反业务规则的无效对象例如日期类中月份为 13银行账户余额为负数。简化后续操作 若构造函数已确保对象有效后续成员函数无需重复验证不变量。避免资源泄漏 若资源内存、文件句柄等在构造函数中正确分配可防止“半成品”对象导致泄漏。 如何通过构造函数建立不变量
1. 参数验证与异常抛出
若构造函数参数不合法应立即抛出异常阻止无效对象的创建。
class Date {
public:Date(int year, int month, int day) {if (month 1 || month 12) throw std::invalid_argument(Invalid month);if (day 1 || day days_in_month(year, month)) throw std::invalid_argument(Invalid day);// 只有参数合法时才初始化成员year_ year;month_ month;day_ day;}private:int year_, month_, day_;
};2. 初始化列表强制成员约束
使用成员初始化列表直接初始化 const 成员或引用成员确保它们在构造函数体执行前已合法。
class Circle {
public:// 半径必须 0否则抛出异常Circle(double radius) : radius_(radius) {if (radius 0) throw std::invalid_argument(Radius must be positive);}private:const double radius_; // const 成员必须在初始化列表中赋值
};3. RAII资源获取即初始化
在构造函数中获取资源如内存、文件句柄并通过析构函数自动释放确保资源安全。
class FileHandler {
public:// 构造函数打开文件建立“文件已打开”的不变量explicit FileHandler(const std::string filename) : file_(fopen(filename.c_str(), r)) {if (!file_) throw std::runtime_error(Failed to open file);}// 析构函数自动关闭文件维护资源安全~FileHandler() { if (file_) fclose(file_); }private:FILE* file_;
};关键设计原则
构造函数应最小化对象状态 仅初始化必要的成员避免过度复杂的逻辑确保异常安全。优先使用初始化列表 避免成员变量先默认构造再赋值可能浪费性能。避免“二阶段初始化” 不要提供无参构造函数 init() 方法这会允许无效的“半初始化”对象存在。 示例银行账户类
class BankAccount {
public:// 构造函数强制不变量余额 0账户号非空BankAccount(const std::string account_id, double initial_balance): account_id_(account_id), balance_(initial_balance) {if (account_id.empty()) throw std::invalid_argument(Account ID cannot be empty);if (initial_balance 0) throw std::invalid_argument(Initial balance cannot be negative);}// 成员函数无需再检查 account_id_ 是否为空void deposit(double amount) {if (amount 0) throw std::invalid_argument(Amount must be positive);balance_ amount;}private:std::string account_id_;double balance_;
};总结
构造函数是建立不变量的第一道防线确保对象始终有效。通过参数验证、资源获取和成员初始化强制对象从创建起满足业务规则。若无法建立不变量应抛出异常而非允许无效对象存在。
2 如果一个构造函数获取了资源那么这个类就需要一个析构函数释放该资源。
在面向对象编程中构造函数是确保类的不变量class invariant从对象诞生起即成立的核心机制。类的不变量是对象在整个生命周期中必须满足的逻辑条件例如日期有效性、资源所有权唯一性、数值范围约束等。以下是实现这一目标的关键策略和示例 一、构造函数的关键职责
参数验证 拒绝非法参数若无法满足不变量立即抛出异常阻止无效对象的创建。资源初始化 通过RAIIResource Acquisition Is Initialization确保资源内存、文件句柄等的获取与对象生命周期绑定。成员变量一致性 确保所有成员变量在构造函数结束后处于合法状态避免“半初始化”对象。 二、实现策略与示例
1. 参数验证防御非法输入
class Temperature {
public:// 温度范围约束绝对零度-273.15°C以上Temperature(double celsius) : value_celsius_(celsius) {if (celsius -273.15) {throw std::invalid_argument(Temperature below absolute zero);}}double get_celsius() const { return value_celsius_; }private:double value_celsius_; // 不变量value_celsius_ -273.15
};关键点构造函数通过参数检查确保温度值合法后续所有方法均可信任 value_celsius_ 的有效性。
2. RAII资源所有权唯一性
class DatabaseConnection {
public:// 构造函数建立“已连接数据库”的不变量explicit DatabaseConnection(const std::string connection_str) {handle_ connect_to_database(connection_str);if (!handle_) {throw std::runtime_error(Connection failed);}}// 析构函数释放资源维护不变量~DatabaseConnection() { disconnect(handle_); }// 禁止拷贝确保资源唯一性DatabaseConnection(const DatabaseConnection) delete;DatabaseConnection operator(const DatabaseConnection) delete;private:DatabaseHandle* handle_; // 不变量非空且唯一
};关键点 构造函数获取资源并验证有效性。禁用拷贝操作避免多个对象持有同一资源句柄破坏所有权唯一性。析构函数自动释放资源防止泄漏。
3. 复合不变量成员间逻辑约束
class Range {
public:// 确保 min maxRange(int min, int max) : min_(min), max_(max) {if (min max) {throw std::invalid_argument(min must be max);}}bool contains(int value) const {// 无需再验证 min_ max_因为构造函数已保证return (value min_) (value max_);}private:int min_, max_; // 不变量min_ max_
};关键点构造函数验证成员间的逻辑关系后续方法直接依赖此不变量。 三、最佳实践与陷阱规避
1. 避免“二阶段初始化”
错误做法提供无参构造函数 init() 方法。// 错误示例允许无效的“半初始化”对象
class Account {
public:Account() {} // 无参构造未初始化余额void init(double balance) { /* 验证逻辑 */ }
};正确做法构造函数强制初始化完成。class Account {
public:Account(double balance) : balance_(balance) {if (balance 0) throw std::invalid_argument(Balance cannot be negative);}
};2. 优先使用成员初始化列表
问题避免成员先默认构造再赋值提升效率并支持 const 成员。class Circle {
public:// 正确通过初始化列表初始化 const 成员Circle(double radius) : radius_(radius) {if (radius 0) throw std::invalid_argument(Radius must be positive);}
private:const double radius_; // 不变量radius_ 0
};3. 处理构造函数异常
若构造函数抛出异常已分配的成员如动态内存需通过RAII自动释放class SafeArray {
public:SafeArray(size_t size) : data_(new int[size]), size_(size) {if (size 0) {delete[] data_; // 手动释放或使用智能指针throw std::invalid_argument(Size cannot be zero);}}
private:int* data_;size_t size_;
};更优方案使用 std::unique_ptr 自动管理资源class SafeArray {
public:SafeArray(size_t size) : data_(std::make_uniqueint[](size)), size_(size) {if (size 0) throw std::invalid_argument(Size cannot be zero);}
private:std::unique_ptrint[] data_; // 异常时自动释放内存size_t size_;
};四、默认构造函数的处理
若类需要支持默认构造需确保默认对象仍满足不变量
class Configuration {
public:// 默认构造函数赋予合法初始值Configuration() : logging_enabled_(false), timeout_(30) {}// 带参数构造函数验证输入Configuration(bool logging, unsigned timeout) : logging_enabled_(logging), timeout_(timeout) {if (timeout 0) throw std::invalid_argument(Timeout must be 0);}private:bool logging_enabled_;unsigned timeout_; // 不变量timeout_ 0默认构造时设为30
};总结
构造函数是类不变量的唯一入口必须严格验证输入并初始化成员至合法状态。RAII模式将资源管理与对象生命周期绑定避免泄漏和无效状态。优先使用异常而非错误码确保非法对象无法存在。禁用拷贝/赋值如 delete或定义正确的拷贝语义维护资源所有权不变量。
3 如果一个类有虚函数它就需要一个虚析构函数。
在C中如果一个类包含虚函数它通常也应该拥有一个虚析构函数。这是为了确保通过基类指针或引用删除派生类对象时能够正确调用派生类的析构函数避免资源泄漏或未定义行为。 为什么需要虚析构函数
1. 多态删除的安全性
当通过基类指针删除派生类对象时如果基类析构函数非虚只会调用基类的析构函数而派生类的析构函数不会被调用导致派生类资源泄漏。
class Base {
public:virtual void doSomething() {} // 虚函数~Base() { std::cout Base destroyed\n; } // 非虚析构函数
};class Derived : public Base {
public:~Derived() { std::cout Derived destroyed\n; } // 不会被调用
};// 使用时
Base* obj new Derived();
delete obj; // 输出Base destroyedDerived析构函数未执行2. 虚函数表vtable的完整性
虚函数的存在意味着该类可能被用作多态基类。虚析构函数会通过虚函数表vtable动态绑定确保正确调用实际对象的析构函数链。 解决方案声明虚析构函数
class Base {
public:virtual void doSomething() {}virtual ~Base() { std::cout Base destroyed\n; } // 虚析构函数
};class Derived : public Base {
public:~Derived() override { std::cout Derived destroyed\n; } // 正确调用
};// 使用时
Base* obj new Derived();
delete obj;
// 输出Derived destroyed → Base destroyed关键规则 虚析构函数规则 如果类有虚函数析构函数必须声明为虚函数。如果类可能被继承即使当前没有虚函数也应考虑将析构函数设为虚函数。 纯虚析构函数 若需要定义抽象基类可以将析构函数声明为纯虚函数但必须提供实现否则链接失败 class AbstractBase {
public:virtual ~AbstractBase() 0; // 纯虚声明
};AbstractBase::~AbstractBase() {} // 必须提供实现性能权衡 虚析构函数会引入虚函数表指针vptr的额外开销通常4-8字节但资源安全性的收益远大于此成本。 不需要虚析构函数的例外
类不会被多态使用 如果类不会被继承或不会通过基类指针操作对象例如工具类、数据容器则无需虚析构函数。class NonPolymorphicClass {
public:void utilityMethod() {} // 非虚函数~NonPolymorphicClass() {} // 无需虚析构
};总结
虚析构函数是多态安全的基石确保派生类资源正确释放。与虚函数共存只要类有虚函数析构函数必须为虚。抽象基类纯虚析构函数可强制派生类实现清理逻辑但需提供默认实现。
遵循这一规则可以避免因多态对象删除导致的资源泄漏和未定义行为。
4 如果一个类没有构造函数它可以进行逐成员初始化。
如果一个类没有自定义构造函数且满足特定条件可以直接通过逐成员初始化聚合初始化来初始化对象。以下是详细说明 一、聚合初始化Aggregate Initialization的条件
在C中类或结构体若满足以下所有条件则被视为聚合类型Aggregate允许使用花括号 {} 直接初始化各成员
没有用户自定义的构造函数包括默认构造函数。所有非静态成员均为公有public。没有基类即非继承的类。没有虚函数。没有默认成员初始化器C11 之前C11 及之后允许。 二、示例合法与非法聚合初始化
合法示例满足聚合条件
struct Point {int x;int y;std::string name;
};// 聚合初始化直接初始化所有成员
Point p1 {10, 20, Origin}; // C11 起支持字符串成员非法示例不满足聚合条件
class InvalidAggregate {
public:InvalidAggregate(int a) {} // 存在自定义构造函数 → 非聚合
private:int x; // 存在私有成员 → 非聚合
};// 无法使用聚合初始化
// InvalidAggregate obj {5}; // 编译错误三、C 版本差异
C11 前聚合类型不能包含默认成员初始化器如 int x 0;。C11 起允许聚合类型包含默认成员初始化器且支持非 PODPlain Old Data类型成员如 std::string。C17 起允许聚合类型继承公开的基类但派生类仍需满足其他聚合条件。 四、初始化规则 成员顺序必须严格匹配 初始化列表中的值按成员声明顺序依次赋值。 Point p {10, 20}; // p.x10, p.y20
Point p2 {20}; // p2.x20, p2.y0若未显式初始化可能为未定义值允许省略尾部成员 未显式初始化的成员将 若有默认成员初始化器使用该值。否则保留未初始化状态可能为随机值。 struct Data {int id -1;double value;
};Data d1 {100}; // d1.id100, d1.value未初始化危险
Data d2 {}; // d2.id-1, d2.value0.0C11 起零初始化嵌套聚合类型的初始化 可递归使用花括号初始化嵌套成员。 struct Line {Point start;Point end;
};Line line {{0, 0, A}, {10, 20, B}};五、应用场景
简单数据容器 如配置参数、坐标点、颜色值等无需复杂逻辑时聚合类型简洁高效。与C语言兼容的结构 确保内存布局与C结构体一致便于跨语言交互。快速原型开发 避免为简单类编写构造函数。 六、注意事项
成员可访问性 所有成员必须为 public否则无法直接初始化。潜在未初始化风险 若省略初始化且无默认值成员可能为随机值导致未定义行为。类型兼容性 若成员类型无默认构造函数必须显式提供初始值。struct Widget {std::mutex mtx; // std::mutex 不可拷贝/移动 → 无法聚合初始化
};// Widget w {}; // 编译错误需自定义构造函数七、对比构造函数初始化
初始化方式聚合初始化构造函数初始化成员访问权限必须为 public可控制为 private/protected灵活性固定顺序不可跳过中间成员可自定义参数和逻辑代码复杂度无需编写构造函数需显式定义构造函数适用场景简单数据类、与C兼容的结构需要封装或验证逻辑的类 总结
可逐成员初始化条件类为聚合类型无自定义构造函数、公有成员等。优点代码简洁适合轻量级数据类。缺点无法封装数据或添加初始化逻辑。替代方案若需更复杂控制应使用构造函数或工厂方法。
5 优先选择使用{}初始化而不是和()初始化。
在C中优先选择使用花括号{}初始化而非等号或圆括号()初始化主要基于以下原因及场景分析 1. 避免最令人烦恼的解析Most Vexing Parse
使用圆括号初始化时编译器可能误将对象声明解析为函数声明导致意外错误。
示例
class Widget {
public:Widget() { /* 默认构造函数 */ }Widget(int) { /* 单参数构造函数 */ }
};Widget w1(); // 解析为函数声明而非默认构造对象
Widget w2{}; // 正确调用默认构造函数
Widget w3(42); // 正确调用单参数构造函数结论花括号初始化避免了函数声明歧义。 2. 禁止窄化转换Narrowing Conversions
花括号初始化会在编译时检查类型是否匹配阻止可能导致数据丢失的隐式转换。
示例
int a 3.14; // 允许但丢失精度a3
int b{3.14}; // 编译错误double → int 是窄化转换例外若需强制窄化转换需显式使用static_cast
int c{static_castint(3.14)}; // 合法3. 统一初始化语法Uniform Initialization
花括号{}适用于所有类型初始化提升代码一致性和可读性。
适用场景
基本类型int x{5};数组int arr[]{1, 2, 3};结构体/类Point p{10, 20};STL容器std::vectorint v{1, 2, 3};
对比其他方式
std::vectorint v1(3, 5); // 包含3个5[5,5,5]
std::vectorint v2{3, 5}; // 包含两个元素[3,5]4. 显式优先匹配 std::initializer_list
若类定义了std::initializer_list构造函数花括号初始化会优先调用它。
示例
class Widget {
public:Widget(int x, int y) { /* 双参数构造 */ }Widget(std::initializer_listint) { /* 初始化列表构造 */ }
};Widget w1(1, 2); // 调用双参数构造函数
Widget w2{1, 2}; // 调用初始化列表构造函数
Widget w3 {1, 2}; // 同上隐式调用注意事项当需要强制调用非初始化列表构造函数时应使用圆括号。 5. 支持聚合初始化Aggregate Initialization
花括号是初始化聚合类型无构造函数、全公有成员的唯一合法方式。
示例
struct Data {int id;std::string name;
};Data d1 {42, Alice}; // C11起合法
Data d2{42, Alice}; // 更简洁的写法6. 避免 auto 推导陷阱
在C17前auto与花括号结合可能导致意外类型推导但C17已修复。
示例
auto a{5}; // C11/14: std::initializer_listint → C17: int
auto b {5}; // 始终推导为 std::initializer_listint何时不适用花括号初始化
需要显式调用非 initializer_list 构造函数std::vectorint v(3, 5); // 生成 [5,5,5]而非 [3,5]兼容旧代码或特定库某些API可能依赖传统初始化方式。 总结使用 {} 的指导原则
场景推荐语法说明默认初始化T obj{};避免歧义显式零初始化显式调用构造函数T{arg1, arg2}统一语法防止窄化转换聚合类型初始化T{val1, val2}唯一合法方式避免 std::initializer_list 误用T(arg1, arg2)强制调用非初始化列表构造函数 核心建议
默认使用 {}在大多数情况下花括号初始化更安全、更一致。了解类的构造函数若类定义了std::initializer_list构造函数需注意其优先级。结合项目规范在团队开发中遵循统一的代码风格。
通过优先选择花括号初始化可以显著减少初始化相关的错误并提高代码的健壮性和可维护性。
6 当且仅当类对象有“自然的”默认值时才为类定义默认构造函数。
在C中默认构造函数无参构造函数的设计应遵循“仅在类对象存在自然默认值时定义”的原则。这一规则的核心在于确保对象在无显式初始化时能处于有效且有意义的状态同时避免强制用户接受无意义的默认值。以下是具体分析及实践指南 一、何时需要定义默认构造函数
1. 存在自然默认值
当类的实例在未显式初始化时逻辑上存在一个明确且合理的默认状态例如
数学对象向量默认初始化为零向量矩阵初始化为单位矩阵。容器类空容器如std::vector默认构造为空。配置类默认配置参数如日志级别默认为INFO。
示例
class Vector3 {
public:// 自然默认值零向量Vector3() : x(0.0f), y(0.0f), z(0.0f) {}
private:float x, y, z;
};2. 成员依赖默认构造
若类的成员对象或基类必须通过默认构造函数初始化则需显式定义默认构造函数即使逻辑上无显式需求。
示例
class Widget {
public:Widget() default; // 确保成员file_的默认构造合法
private:std::ofstream file_; // 默认构造为未打开状态
};3. 兼容容器与泛型代码
标准容器如std::vector和泛型算法如std::make_shared要求类型具备默认构造函数以便创建临时对象或调整容器大小。 二、何时应避免定义默认构造函数
1. 无合理默认状态
若对象必须依赖外部输入才能有效存在则禁用默认构造强制用户通过参数化构造函数初始化。
示例
class Date {
public:Date(int year, int month, int day) { /* 验证逻辑 */ }// 无默认构造函数日期无自然默认值
};2. 防止无效或危险默认值
若默认构造可能导致资源泄漏、未定义行为或逻辑错误应删除默认构造函数。
示例
class DatabaseConnection {
public:DatabaseConnection() delete; // 必须通过连接字符串构造DatabaseConnection(const std::string conn_str) { /* 建立连接 */ }
};3. 明确初始化依赖
某些类的设计要求用户显式提供初始化参数以避免猜测默认行为提升代码可读性。 三、设计策略
1. 显式定义默认构造函数
通过 default或自定义实现明确类的默认初始化行为
class SafeArray {
public:SafeArray() : data_(nullptr), size_(0) {} // 明确空状态
private:int* data_;size_t size_;
};2. 禁用默认构造
使用 delete阻止编译器生成默认构造函数
class NonCopyable {
public:NonCopyable() delete;NonCopyable(int id) : id_(id) {}
private:int id_;
};3. 默认构造与“空状态”
若允许对象处于“空”或“未就绪”状态需在文档中明确其行为并在相关方法中检查有效性
class FileHandler {
public:FileHandler() {} // 默认构造为未打开文件状态bool is_open() const { return handle_ ! nullptr; }void open(const std::string path) { /* 打开文件 */ }
private:FILE* handle_ nullptr;
};四、示例对比
合理定义默认构造的类
// 颜色类默认构造为黑色自然默认值
class Color {
public:Color() : r(0), g(0), b(0) {}Color(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue) : r(red), g(green), b(blue) {}
private:uint8_t r, g, b;
};禁用默认构造的类
// 用户身份令牌必须通过授权接口创建
class AuthToken {
public:AuthToken() delete;explicit AuthToken(const std::string secret) { /* 生成令牌 */ }
};五、总结
定义默认构造函数当且仅当类存在逻辑上合理、安全的默认初始化行为。避免默认构造若对象必须依赖显式参数才能有效存在或默认值可能导致未定义行为。明确语义通过 default或 delete清晰表达设计意图避免隐式行为。
遵循这一原则可以提升代码的健壮性、可维护性并减少因无效对象导致的运行时错误。
7 如果一个类是一个容器为它定义一个初始化器列表构造函数。
在C中为容器类定义一个初始化器列表构造函数std::initializer_list构造函数可以让用户通过花括号{}直接初始化容器元素提升代码的直观性和便捷性。以下是具体实现步骤及示例 1. 定义构造函数签名
在容器类中声明接受std::initializer_listT的构造函数
#include initializer_listtemplate typename T
class MyVector {
public:// 初始化器列表构造函数MyVector(std::initializer_listT init_list);// 其他构造函数如默认构造、拷贝构造等MyVector() default;private:T* data_ nullptr;size_t size_ 0;size_t capacity_ 0;
};2. 实现构造函数逻辑
在构造函数中遍历std::initializer_list的元素将其添加到容器中
template typename T
MyVectorT::MyVector(std::initializer_listT init_list) {// 分配足够内存存储初始化列表中的元素capacity_ init_list.size();data_ new T[capacity_];// 遍历列表并拷贝元素size_t idx 0;for (const auto element : init_list) {data_[idx] element; // 假设T支持拷贝赋值}size_ init_list.size();
}3. 优化异常安全
使用RAII资源获取即初始化保证内存安全
template typename T
MyVectorT::MyVector(std::initializer_listT init_list) {// 先分配临时内存再转移所有权T* temp new T[init_list.size()];size_t idx 0;try {for (const auto element : init_list) {temp[idx] element; // 可能抛出异常如T的拷贝构造函数}} catch (...) {delete[] temp; // 发生异常时释放内存throw;}// 无异常后替换成员变量data_ temp;size_ capacity_ init_list.size();
}4. 支持移动语义可选
如果元素类型支持移动语义可以优化性能
template typename T
MyVectorT::MyVector(std::initializer_listT init_list) {capacity_ init_list.size();data_ new T[capacity_];size_t idx 0;for (auto element : init_list) { // 万能引用允许移动data_[idx] std::move(element);}size_ init_list.size();
}5. 避免构造函数歧义
确保初始化器列表构造函数与其他构造函数不冲突。例如
// 存在以下构造函数时可能产生歧义
MyVector(size_t initial_size); // 接受size_t的构造函数// 用户意图创建包含单个元素10的容器
MyVectorint vec{10}; // 调用初始化器列表构造函数还是size_t构造函数解决方案
使用explicit关键字标记可能产生歧义的构造函数explicit MyVector(size_t initial_size);调整参数类型例如使用int而非size_t。 6. 测试初始化器列表构造函数
验证不同场景下的行为
// 空列表初始化
MyVectorint empty_vec{};// 多元素初始化
MyVectorint numbers{1, 2, 3, 4, 5};// 嵌套容器初始化
MyVectorMyVectorint matrix{{1, 2, 3},{4, 5, 6},{7, 8, 9}
};7. 完整示例代码
#include initializer_list
#include algorithm // std::copytemplate typename T
class MyVector {
public:// 初始化器列表构造函数MyVector(std::initializer_listT init_list) {capacity_ init_list.size();data_ new T[capacity_];std::copy(init_list.begin(), init_list.end(), data_);size_ init_list.size();}// 默认构造函数MyVector() default;// 析构函数~MyVector() { delete[] data_; }// 其他必要函数拷贝构造、移动构造、赋值操作符等private:T* data_ nullptr;size_t size_ 0;size_t capacity_ 0;
};总结
关键点说明使用 std::initializer_listT声明参数类型为初始化列表。遍历并拷贝元素通过范围循环或 std::copy 将元素添加到容器。异常安全使用RAII或临时指针确保内存安全。避免歧义用 explicit 标记可能冲突的构造函数。支持移动语义如果元素类型支持移动可优化性能。
通过实现初始化器列表构造函数你的容器类将能够像标准库容器如 std::vector一样支持直观的花括号初始化语法。
8 按声明顺序初始化成员和基类。
在C中成员的初始化顺序严格遵循类定义中的声明顺序而非构造函数初始化列表中的书写顺序。基类的初始化顺序则由继承声明顺序决定。这是语言的核心规则理解并遵守它可避免未定义行为和潜在错误。 一、成员变量的初始化顺序
规则
成员变量按其在类中声明的先后顺序初始化与构造函数初始化列表中的顺序无关。若初始化列表顺序与声明顺序不一致编译器可能发出警告如 -Wreorder。
示例与风险
class Example {
private:int a_; // 声明顺序a_ 先于 b_int b_;public:// 危险初始化列表顺序与声明顺序不一致Example(int x) : b_(x), a_(b_ 1) {} // 实际初始化顺序a_ → b_// 此时 a_ 使用未初始化的 b_导致未定义行为
};修复方式
class Example {
private:int a_; // 声明顺序不变int b_;public:// 正确调整初始化列表顺序与声明顺序一致Example(int x) : a_(x 1), b_(x) {}
};二、基类的初始化顺序
规则
基类按继承声明顺序初始化而非构造函数初始化列表中的顺序。初始化顺序在多继承中尤为重要。
示例
class Base1 { /* ... */ };
class Base2 { /* ... */ };// 声明顺序Base1 先于 Base2
class Derived : public Base1, public Base2 {
public:// 初始化列表顺序不影响基类初始化顺序Derived() : Base2(), Base1() {} // 实际初始化顺序Base1 → Base2
};关键点
即使初始化列表写作 Base2(), Base1()实际初始化顺序仍为 Base1 → Base2。若 Base2 依赖 Base1 的状态需确保 Base1 在继承列表中声明在前。 三、组合场景基类与成员的混合初始化
初始化顺序优先级基类 → 成员变量均按各自声明顺序。
class Base { /* ... */ };class Component { /* ... */ };class Derived : public Base { // 基类 Base 先初始化
private:Component c_; // 成员 c_ 在 Base 之后初始化int x_; // 成员 x_ 在 c_ 之后初始化public:Derived() : x_(0), c_(), Base() {} // 实际顺序Base → c_ → x_
};四、强制初始化依赖
若某个成员或基类的初始化依赖其他成员需通过声明顺序确保依赖项先初始化。
正确示例
class Database {
private:Logger logger_; // 依赖 Logger 实例Cache cache_; // 需在 logger_ 之后初始化public:Database(Logger logger) : logger_(logger), cache_(logger_) {}// 声明顺序logger_ → cache_ → 初始化顺序正确
};错误示例
class Database {
private:Cache cache_; // 先声明Logger logger_; // 后声明public:Database(Logger logger) : logger_(logger), cache_(logger_) {}// 实际初始化顺序cache_ → logger_// cache_ 构造时使用了未初始化的 logger_导致未定义行为
};五、最佳实践 保持声明顺序与初始化逻辑一致 在类定义中按依赖关系声明成员变量被依赖者在前。 初始化列表顺序匹配声明顺序 即使不影响实际初始化顺序也保持初始化列表与声明顺序一致增强代码可读性。 避免成员间初始化依赖 尽量让成员独立初始化减少隐式依赖。必要时使用两阶段初始化或惰性加载。 启用编译器警告 使用 -Wall 或 -Wreorder 捕捉初始化列表顺序与声明顺序不一致的情况。 总结
场景初始化顺序规则类成员变量按类中声明顺序初始化与初始化列表顺序无关基类按继承列表中的声明顺序初始化成员与基类混合先基类按继承顺序后成员按声明顺序
遵循这些规则可避免因初始化顺序导致的未定义行为提升代码健壮性。
9 如果一个类有一个引用成员它可能需要拷贝操作拷贝构造函数和拷贝赋值操作。
在C中如果类包含引用成员通常需要显式定义拷贝操作拷贝构造函数和拷贝赋值操作符因为默认生成的版本可能导致未定义行为或编译错误。以下是具体分析及解决方案 一、引用成员的特性
引用不可重新绑定 引用成员一旦初始化后无法更改其指向的对象。必须显式初始化 引用成员必须在构造函数的初始化列表中初始化不能延迟赋值。 二、默认拷贝操作的问题
1. 默认拷贝构造函数
行为逐成员拷贝包括引用的绑定关系。风险新对象的引用成员与原对象引用同一数据可能导致意外共享。class Widget {
private:int ref_; // 引用成员
public:Widget(int val) : ref_(val) {}
};int a 10, b 20;
Widget w1(a);
Widget w2(w1); // w2.ref_ 仍绑定到 a而非 b2. 默认拷贝赋值操作符
行为尝试对引用成员赋值即 ref_ other.ref_。错误引用不可重新绑定导致编译失败。Widget w1(a), w2(b);
w1 w2; // 错误无法通过赋值操作符修改引用绑定三、解决方案
1. 禁用拷贝操作
若引用成员不应被拷贝例如指向不可复制的资源应显式删除拷贝操作
class Widget {
public:Widget(int val) : ref_(val) {}Widget(const Widget) delete; // 禁用拷贝构造Widget operator(const Widget) delete; // 禁用拷贝赋值
private:int ref_;
};2. 自定义拷贝操作
若逻辑允许拷贝引用成员例如共享同一数据需显式定义拷贝操作
class SharedBuffer {
public:// 拷贝构造绑定到同一缓冲区SharedBuffer(const SharedBuffer other) : buffer_(other.buffer_) {}// 拷贝赋值无操作引用不可重新绑定但仍需定义以绕过默认行为SharedBuffer operator(const SharedBuffer other) {// 无操作引用指向目标已固定无法更改return *this;}private:char* buffer_; // 引用指向动态分配的缓冲区
};3. 改用指针替代引用
若需要动态改变指向的目标优先使用指针而非引用
class ConfigLoader {
public:ConfigLoader(std::string* config) : config_(config) {}// 自定义拷贝操作允许指针拷贝浅拷贝ConfigLoader(const ConfigLoader other) : config_(other.config_) {}ConfigLoader operator(const ConfigLoader other) {config_ other.config_;return *this;}private:std::string* config_; // 指针成员可重新赋值
};四、设计建议
场景策略引用成员指向不可共享资源禁用拷贝操作 delete引用成员指向逻辑共享数据显式定义拷贝操作保持引用绑定关系需要动态切换引用目标改用指针成员并定义拷贝操作浅拷贝或深拷贝 五、示例引用成员与深拷贝
若引用成员指向外部数据但类需要独立副本需结合深拷贝策略
class StringWrapper {
public:StringWrapper(const std::string s) : ref_(s) {}// 深拷贝构造创建新字符串副本并让引用指向该副本StringWrapper(const StringWrapper other) : data_(new std::string(*other.data_)), ref_(*data_) {}// 深拷贝赋值释放旧数据创建新副本StringWrapper operator(const StringWrapper other) {if (this ! other) {delete data_;data_ new std::string(*other.data_);ref_ *data_;}return *this;}~StringWrapper() { delete data_; }private:std::string* data_ nullptr; // 实际数据存储std::string ref_; // 引用指向 data_ 的内容
};总结
引用成员天然限制拷贝语义默认拷贝操作可能导致逻辑错误或编译失败。明确设计意图根据需求选择禁用拷贝、共享引用或改用指针。优先使用 delete若拷贝无意义显式禁止以避免误用。
通过合理设计可以确保引用成员类的行为符合预期避免资源管理错误。
10 在构造函数中优先选择成员初始化而不是赋值操作。
在C中在构造函数中使用成员初始化列表member initializer list而非在构造函数体内进行赋值操作是更高效、更安全且更符合语义的实践。以下是具体原因及示例说明 一、核心原因
1. 性能优化
避免双重操作对于类类型成员若在构造函数体内赋值会先调用默认构造函数再调用赋值操作符。而初始化列表直接调用拷贝/移动构造函数减少冗余操作。class Example {
private:std::string name_; // 类类型成员int id_;public:// 低效方式先默认构造name_再赋值Example(const std::string name, int id) {name_ name; // 调用默认构造 operatorid_ id; // 基本类型无额外开销}// 高效方式直接通过拷贝构造初始化Example(const std::string name, int id) : name_(name), id_(id) {}
};2. 强制初始化要求
const 成员和引用成员必须在初始化列表中初始化无法在构造函数体内赋值。class ConstMemberExample {
private:const int max_size_; // const成员int ref_; // 引用成员public:// 正确通过初始化列表初始化const和引用成员ConstMemberExample(int size, int ref) : max_size_(size), ref_(ref) {}// 错误在构造函数体内赋值会导致编译失败ConstMemberExample(int size, int ref) {max_size_ size; // 错误const成员无法赋值ref_ ref; // 错误引用未初始化}
};3. 确保对象有效状态
异常安全若构造函数体中的赋值操作抛出异常可能导致对象处于半初始化状态。初始化列表直接构造有效对象。class ResourceHolder {
private:FileHandle file_;MemoryBuffer buffer_;public:// 风险若buffer_初始化失败file_可能未正确关闭ResourceHolder(const std::string path) {file_.open(path); // 非初始化列表buffer_.allocate(1MB); // 可能抛出异常}// 更安全通过RAII在初始化列表中获取资源ResourceHolder(const std::string path) : file_(path), // 直接构造有效FileHandlebuffer_(1MB) {} // 若失败file_会被正确析构
};二、实现方式对比
1. 类类型成员
初始化列表直接调用拷贝/移动构造函数。构造函数体内赋值先默认构造再调用赋值操作符。
性能差异示例
class HeavyObject {
public:HeavyObject() { /* 默认构造可能耗时 */ }HeavyObject(const HeavyObject) { /* 拷贝构造 */ }HeavyObject operator(const HeavyObject) { /* 赋值操作 */ }
};class Container {
private:HeavyObject obj_;public:// 低效默认构造 赋值Container(const HeavyObject obj) { obj_ obj; }// 高效直接拷贝构造Container(const HeavyObject obj) : obj_(obj) {}
};2. 内置类型成员
无性能差异但代码更简洁class Point {
private:int x_, y_;public:// 冗余方式虽合法但不够直观Point(int x, int y) {x_ x;y_ y;}// 推荐方式初始化列表Point(int x, int y) : x_(x), y_(y) {}
};三、必须使用初始化列表的场景
const 成员只能在初始化列表中赋值。引用成员必须在初始化时绑定到对象。没有默认构造函数的成员若成员类无默认构造函数必须通过初始化列表显式传参。class Dependency {
public:Dependency(int param) {} // 无默认构造函数
};class User {
private:Dependency dep_;public:// 正确通过初始化列表构造dep_User(int param) : dep_(param) {}// 错误dep_无法默认构造User(int param) { dep_ Dependency(param); }
};四、最佳实践
始终优先使用初始化列表即使对内置类型以保持代码一致性。注意成员初始化顺序初始化列表中的顺序应与类中成员声明顺序一致。复杂逻辑处理若初始化依赖运行时计算可在函数体内补充逻辑但尽量通过辅助函数在初始化列表中完成。class ComplexExample {
private:std::vectorint data_;int threshold_;public:ComplexExample(int base) : data_(generate_initial_data(base)), // 调用辅助函数threshold_(calculate_threshold(data_)) {}private:static std::vectorint generate_initial_data(int base) { /* ... */ }static int calculate_threshold(const std::vectorint data) { /* ... */ }
};总结
场景初始化列表构造函数体内赋值类类型成员高效直接构造低效默认构造 赋值const/引用成员必须使用无法使用内置类型成员推荐代码一致性合法但冗余依赖其他成员的初始化可行按声明顺序可能未初始化依赖项
通过优先使用成员初始化列表可以提升代码效率、安全性和可维护性同时避免潜在的错误。
11 使用类内初始化器来提供默认值。
在C11及更高版本中类内初始化器in-class member initializers 允许在类定义中直接为成员变量提供默认值从而简化构造函数的实现并增强代码可维护性。以下是使用类内初始化器的详细指南 一、类内初始化器的基本用法
在类定义中声明成员变量时使用赋值或花括号初始化语法直接赋予默认值
class Widget {
private:// 类内初始化默认值int id_ -1; // 使用 初始化std::string name_{default};// 使用 {} 初始化double price_{99.99}; // 推荐使用 {} 避免窄化转换
};二、类内初始化的优势
1. 减少构造函数冗余代码
当类有多个构造函数时类内初始化器可避免在每个构造函数中重复初始化相同默认值。
class Configuration {
public:Configuration() default; // 使用类内初始化的默认值Configuration(int timeout) : timeout_(timeout) {} // 仅覆盖timeout_private:int timeout_ 30; // 默认值30bool logging_enabled_ true; // 默认值true
};2. 明确成员默认状态
即使未显式定义构造函数成员变量也能确保合法初始值避免未定义行为。
class SensorData {
public:// 没有显式构造函数但成员有类内初始化double temperature_ 0.0;bool is_valid_ false;
};SensorData data; // temperature_0.0, is_valid_false3. 支持不可默认构造的成员
若成员类型无默认构造函数可通过类内初始化器调用其带参构造函数。
class Logger {
public:Logger(const std::string filename) : file_(filename) {}
private:std::ofstream file_;
};class App {
private:Logger logger_{app.log}; // 直接调用Logger的构造函数
};三、类内初始化与构造函数的优先级
显式构造函数初始化列表优先级更高 若构造函数在初始化列表中显式初始化成员类内初始化的默认值会被覆盖。
class Product {
public:Product() default; // 使用类内初始化price_100.0Product(double price) : price_(price) {} // 覆盖类内初始化的price_private:double price_ 100.0;
};四、适用场景
1. 简单默认值
成员变量的默认值不依赖外部参数或运行时计算。
class Circle {
private:double radius_ 1.0; // 简单默认半径
};2. 多构造函数的类
多个构造函数共享同一默认值减少代码重复。
class Connection {
public:Connection() default; // 使用类内初始化port_8080Connection(const std::string ip) : ip_(ip) {} // 仅设置ip_private:std::string ip_ 127.0.0.1;int port_ 8080;
};3. 常量或引用成员的默认值
通过类内初始化简化 const 或引用成员的初始化需确保引用绑定有效。
class Settings {
public:Settings() : debug_mode_(debug_mode_default_) {} // 必须通过构造函数初始化列表private:const bool debug_mode_default_ false; // 类内初始化常量bool debug_mode_; // 引用需在构造函数中绑定
};五、不适用类内初始化的场景
1. 依赖构造函数参数
若成员默认值依赖构造函数参数需在构造函数中初始化。
class Rectangle {
public:Rectangle(int width, int height) : width_(width), height_(height) {} // 无法通过类内初始化实现private:int width_; // 依赖构造函数参数int height_;
};2. 动态资源分配
需要动态分配内存或资源的成员应在构造函数中初始化以确保异常安全。
class Buffer {
public:Buffer(size_t size) : data_(new int[size]) {} ~Buffer() { delete[] data_; }private:int* data_ nullptr; // 类内初始化 nullptr构造函数中分配实际内存
};3. 静态成员变量
静态成员变量除 const 整型不能在类内初始化需在类外定义。
class Constants {
private:static const int MAX_SIZE 100; // 允许const整型static double PI; // 需在类外初始化
};double Constants::PI 3.1415926; // 类外定义六、示例结合类内初始化与构造函数
class Player {
public:Player() default; // 使用类内初始化默认值Player(const std::string name) : name_(name) {}Player(const std::string name, int level) : name_(name), level_(level) {}private:std::string name_ Unknown; // 类内初始化默认值int level_ 1;float health_ 100.0f;
};// 使用示例
Player p1; // name_Unknown, level_1
Player p2(Alice); // name_Alice, level_1
Player p3(Bob, 5); // name_Bob, level_5七、总结
场景使用类内初始化使用构造函数初始化列表成员有简单且固定的默认值✔️多个构造函数共享默认值✔️成员依赖构造函数参数✔️初始化涉及动态资源管理✔️
最佳实践
优先使用类内初始化器为成员提供默认值。在构造函数中仅覆盖需要定制的成员。避免在类内初始化器中编写复杂逻辑。
12 如果一个类是一个资源句柄它可能需要拷贝和移动操作。
在C中管理资源的类资源句柄通常需要显式定义或禁用拷贝和移动操作以确保资源的安全性和所有权语义。以下是具体分析及实现指南 一、资源句柄类的核心特性
资源句柄类负责管理独占资源如动态内存、文件句柄、网络连接等其核心职责包括
资源获取在构造函数中分配/获取资源。资源释放在析构函数中释放资源。所有权管理通过拷贝或移动操作控制资源所有权转移。 二、拷贝与移动操作的设计原则
操作使用场景实现方式拷贝操作资源可共享或需深度复制时如 std::shared_ptr。定义拷贝构造函数和拷贝赋值运算符实现深拷贝或引用计数。移动操作资源所有权需高效转移时如 std::unique_ptr。定义移动构造函数和移动赋值运算符转移资源所有权并将原对象置为无效状态。禁用拷贝/移动资源不可复制或移动时如线程安全锁 std::mutex。使用 delete 明确删除拷贝/移动操作。 三、示例独占资源句柄禁用拷贝允许移动
class FileHandle {
public:// 构造函数获取资源explicit FileHandle(const char* filename) : file_(fopen(filename, r)) {if (!file_) throw std::runtime_error(File open failed);}// 析构函数释放资源~FileHandle() { if (file_) fclose(file_); }// 禁用拷贝操作FileHandle(const FileHandle) delete;FileHandle operator(const FileHandle) delete;// 定义移动操作FileHandle(FileHandle other) noexcept : file_(other.file_) {other.file_ nullptr; // 原对象不再持有资源}FileHandle operator(FileHandle other) noexcept {if (this ! other) {if (file_) fclose(file_); // 释放当前资源file_ other.file_; // 接管新资源other.file_ nullptr; // 原对象置空}return *this;}private:FILE* file_; // 资源句柄
};关键点
移动构造/赋值转移资源所有权原对象置为无效状态如 nullptr。禁用拷贝避免多个对象管理同一资源导致重复释放。异常安全移动操作标记为 noexcept确保容器操作如 std::vector::push_back的高效性。 四、示例共享资源句柄允许拷贝使用引用计数
class SharedBuffer {
public:// 构造函数分配资源并初始化引用计数explicit SharedBuffer(size_t size) : data_(new int[size]), size_(size), ref_count_(new size_t(1)) {}// 拷贝构造函数共享资源增加引用计数SharedBuffer(const SharedBuffer other) : data_(other.data_), size_(other.size_), ref_count_(other.ref_count_) {(*ref_count_);}// 拷贝赋值操作符释放旧资源共享新资源SharedBuffer operator(const SharedBuffer other) {if (this ! other) {release(); // 释放当前资源data_ other.data_;size_ other.size_;ref_count_ other.ref_count_;(*ref_count_);}return *this;}// 移动构造函数转移资源所有权SharedBuffer(SharedBuffer other) noexcept : data_(other.data_), size_(other.size_), ref_count_(other.ref_count_) {other.data_ nullptr;other.size_ 0;other.ref_count_ nullptr;}// 析构函数减少引用计数必要时释放资源~SharedBuffer() { release(); }private:void release() {if (ref_count_ --(*ref_count_) 0) {delete[] data_;delete ref_count_;}}int* data_; // 共享数据size_t size_; // 数据大小size_t* ref_count_; // 引用计数
};关键点
深拷贝拷贝操作共享数据并增加引用计数。移动语义高效转移资源避免引用计数操作。引用计数确保资源在所有引用释放后销毁。 五、三五法则Rule of Three/Five
若类需要自定义以下任一操作通常需显式定义或禁用全部相关操作
拷贝构造函数拷贝赋值运算符析构函数移动构造函数C11起移动赋值运算符C11起
示例
class Resource {
public:// 构造函数/析构函数Resource() { /* 获取资源 */ }~Resource() { /* 释放资源 */ }// 禁用拷贝Resource(const Resource) delete;Resource operator(const Resource) delete;// 定义移动操作Resource(Resource) noexcept default;Resource operator(Resource) noexcept default;
};六、总结
场景操作实现方式资源独占禁用拷贝允许移动删除拷贝操作定义移动操作并转移所有权。资源共享允许拷贝可定义移动实现深拷贝或引用计数移动操作可优化性能。资源不可复制/移动禁用拷贝和移动删除拷贝和移动操作如 std::mutex。
最佳实践
默认禁用拷贝/移动除非明确需要否则优先禁用 delete。移动优于拷贝对资源句柄类实现移动操作提升性能。遵循三五法则确保资源生命周期管理的完整性。
13 当编写一个拷贝构造函数时小心拷贝每个需要拷贝的元素小心默认初始化器。
在C中编写拷贝构造函数时确保显式拷贝每个需要独立副本的成员至关重要尤其是当类包含指针、动态资源或具有特定初始化逻辑的成员时。以下是关键注意事项及示例 一、默认拷贝构造函数的局限性
默认生成的拷贝构造函数执行浅拷贝成员级复制可能导致以下问题
指针成员两个对象指向同一内存析构时重复释放。资源句柄如文件句柄多个对象管理同一资源导致竞争或泄漏。非平凡类型成员若成员类未正确实现拷贝语义浅拷贝可能无效。 二、显式拷贝构造函数的实现要点
1. 深拷贝指针成员
对指针或动态资源需分配新内存并复制数据
class String {
public:// 拷贝构造函数String(const String other) : size_(other.size_) {data_ new char[size_ 1]; // 分配新内存std::memcpy(data_, other.data_, size_ 1); // 拷贝数据}private:char* data_ nullptr;size_t size_ 0;
};2. 显式拷贝所有必要成员
即使成员有类内默认值也需在拷贝构造函数中覆盖
class Widget {
public:Widget(const Widget other) : id_(other.id_), // 显式拷贝id_name_(other.name_), // 显式拷贝name_counter_(other.counter_) // 显式覆盖默认值0{}private:int id_ -1; // 类内默认值-1std::string name_; // 类内默认空字符串int counter_ 0; // 类内默认值0但拷贝时覆盖
};3. 处理 const 成员和引用成员
const 成员必须在初始化列表中拷贝无法赋值。引用成员必须在初始化列表中绑定到新对象。
class ConstRefExample {
public:ConstRefExample(const ConstRefExample other): max_size_(other.max_size_), // const成员必须初始化ref_(other.ref_) // 引用必须绑定到原引用的目标{}private:const int max_size_ 100; // 类内默认值但拷贝时覆盖int ref_; // 引用成员
};4. 调用基类拷贝构造函数
若类继承自基类需显式调用基类的拷贝构造函数
class Base {
public:Base(const Base other) : base_data_(other.base_data_) {}
private:int base_data_;
};class Derived : public Base {
public:Derived(const Derived other): Base(other), // 调用基类拷贝构造derived_data_(other.derived_data_) {}
private:int derived_data_;
};三、避免依赖默认初始化器
类内初始化器in-class initializers为成员提供默认值但拷贝构造函数需显式覆盖这些默认值否则可能导致逻辑错误
class Configuration {
public:Configuration() default; // 使用类内默认值timeout_30// 错误未显式拷贝timeout_新对象将使用默认值30而非other.timeout_Configuration(const Configuration other) : enabled_(other.enabled_) {}private:int timeout_ 30; // 类内默认值bool enabled_ false;
};// 测试
Configuration original;
original.timeout_ 60;
Configuration copy(original);
// copy.timeout_ 为30未正确拷贝修正
Configuration(const Configuration other) : timeout_(other.timeout_), // 显式覆盖类内默认值enabled_(other.enabled_) {}四、处理异常安全
在拷贝构造函数中分配资源时需确保异常安全如内存分配失败时避免资源泄漏
class SafeArray {
public:SafeArray(const SafeArray other) : size_(other.size_) {data_ new int[size_]; // 可能抛出std::bad_alloctry {std::copy(other.data_, other.data_ size_, data_);} catch (...) {delete[] data_; // 发生异常时释放内存throw;}}private:int* data_ nullptr;size_t size_ 0;
};更优方案使用RAII对象如 std::vector管理资源避免手动处理
class SafeArray {
public:SafeArray(const SafeArray other) : data_(other.data_) {}private:std::vectorint data_; // RAII容器自动管理内存
};五、总结拷贝构造函数的正确步骤
遍历所有成员确定哪些需要深拷贝哪些可直接复制。显式初始化每个成员在成员初始化列表中覆盖类内默认值。优先调用成员对象的拷贝构造函数确保嵌套对象正确复制。处理特殊成员const、引用、基类等需在初始化列表中处理。确保异常安全使用RAII或 try-catch 防止资源泄漏。
示例代码
class Example {
public:// 默认构造函数使用类内初始化Example() default;// 拷贝构造函数显式处理所有成员Example(const Example other): resource_(new int(*other.resource_)), // 深拷贝指针name_(other.name_), // 拷贝字符串id_(other.id_), // 覆盖类内默认值ref_(other.ref_) // 绑定到原引用的目标{}private:int* resource_ nullptr; // 动态资源std::string name_; // 字符串成员自动深拷贝int id_ -1; // 类内默认值-1拷贝时覆盖const int ref_; // 引用成员
};通过严格遵循这些准则可以确保拷贝构造函数正确、安全地复制对象状态避免因默认行为导致的潜在错误。
14 一个拷贝操作应该保持等价性和独立性。
在C中拷贝操作拷贝构造函数和拷贝赋值运算符 必须确保两个核心原则
等价性Equivalence拷贝后的对象应与原对象在逻辑上等价值相同。独立性Independence拷贝后的对象与原对象完全独立修改一个不会影响另一个。
以下通过具体场景和示例详细说明如何实现这两个原则。 一、等价性拷贝后的对象与原对象状态一致
1. 默认拷贝操作的局限性
默认生成的拷贝操作浅拷贝可能导致逻辑不等价
class ShallowString {
public:ShallowString(const char* str) {data_ new char[strlen(str) 1];strcpy(data_, str);}// 默认拷贝构造函数浅拷贝指针ShallowString(const ShallowString) default;~ShallowString() { delete[] data_; }private:char* data_;
};ShallowString s1(Hello);
ShallowString s2(s1); // s2.data_ 指向 s1.data_ 的同一内存问题s1 和 s2 的 data_ 指向同一内存析构时会重复释放导致崩溃。
2. 实现深拷贝保证等价性
class DeepString {
public:DeepString(const char* str) {data_ new char[strlen(str) 1];strcpy(data_, str);}// 自定义拷贝构造函数深拷贝DeepString(const DeepString other) {data_ new char[strlen(other.data_) 1];strcpy(data_, other.data_);}~DeepString() { delete[] data_; }private:char* data_;
};DeepString s1(Hello);
DeepString s2(s1); // s2.data_ 是独立副本结果s1 和 s2 的值相同但资源完全独立。 二、独立性拷贝后的对象与原对象互不影响
1. 浅拷贝的副作用
若拷贝操作未正确管理资源修改拷贝对象会影响原对象
class SharedBuffer {
public:SharedBuffer(int size) : data_(new int[size]), size_(size) {}// 默认拷贝构造函数浅拷贝指针和size_SharedBuffer(const SharedBuffer) default;void setValue(int index, int value) { data_[index] value; }private:int* data_;int size_;
};SharedBuffer buf1(10);
buf1.setValue(0, 42);
SharedBuffer buf2(buf1);
buf2.setValue(0, 100); // buf1.data_[0] 也被修改为1002. 深拷贝保证独立性
class IndependentBuffer {
public:IndependentBuffer(int size) : data_(new int[size]), size_(size) {}// 深拷贝构造函数IndependentBuffer(const IndependentBuffer other) : size_(other.size_) {data_ new int[size_];memcpy(data_, other.data_, size_ * sizeof(int));}void setValue(int index, int value) { data_[index] value; }private:int* data_;int size_;
};IndependentBuffer buf1(10);
buf1.setValue(0, 42);
IndependentBuffer buf2(buf1);
buf2.setValue(0, 100); // buf1.data_[0] 仍为42三、拷贝操作的实现要点
1. 覆盖所有必要成员
确保每个需要独立拷贝的成员都被显式处理包括基类成员
class Base {
public:Base(int x) : x_(x) {}Base(const Base other) : x_(other.x_) {}
private:int x_;
};class Derived : public Base {
public:Derived(int x, int y) : Base(x), y_(y) {}// 正确显式拷贝基类和成员Derived(const Derived other) : Base(other), // 调用基类拷贝构造函数y_(other.y_) {}private:int y_;
};2. 处理 const 和引用成员
const 成员必须在初始化列表中初始化。引用成员必须绑定到新的目标通常需禁用拷贝操作。
class ConstRefExample {
public:ConstRefExample(int ref) : ref_(ref) {} // 禁用拷贝引用成员无法重新绑定ConstRefExample(const ConstRefExample) delete;private:const int x_ 0; // const成员int ref_; // 引用成员
};3. 拷贝赋值运算符的自我赋值检查
class SafeArray {
public:SafeArray operator(const SafeArray other) {if (this ! other) { // 防止自我赋值delete[] data_;size_ other.size_;data_ new int[size_];memcpy(data_, other.data_, size_ * sizeof(int));}return *this;}
};四、三五法则Rule of Three/Five
若类需要自定义以下任一操作通常需显式定义或禁用全部相关操作
拷贝构造函数拷贝赋值运算符析构函数移动构造函数C11移动赋值运算符C11
class Resource {
public:Resource() { /* 获取资源 */ }~Resource() { /* 释放资源 */ }// 禁用拷贝Resource(const Resource) delete;Resource operator(const Resource) delete;// 允许移动Resource(Resource) noexcept default;Resource operator(Resource) noexcept default;
};五、总结
原则实现方式等价性深拷贝所有动态资源确保拷贝后对象的值与原对象一致。独立性资源完全独立避免共享指针或句柄。自我赋值安全在拷贝赋值运算符中检查 this ! other。异常安全使用RAII或 try-catch 保证资源分配失败时程序状态有效。
核心建议
优先使用 std::vector、std::string 等RAII容器而非手动管理资源。若类管理资源遵循三五法则显式定义或禁用拷贝/移动操作。对拷贝操作进行单元测试验证等价性和独立性。
通过严格遵循这些规则可以避免因拷贝操作不当导致的资源泄漏、数据竞争和未定义行为。
15 小心纠缠的数据结构。
在C中处理复杂或相互关联的数据结构如链表、树、图等时必须格外谨慎以避免内存泄漏、悬垂指针、循环引用或逻辑错误。以下是关键注意事项和最佳实践 一、数据结构中的常见陷阱
1. 循环引用Circular References
场景两个或多个对象相互持有对方的智能指针导致引用计数无法归零内存无法释放。示例class Node {
public:std::shared_ptrNode next;
};std::shared_ptrNode node1 std::make_sharedNode();
std::shared_ptrNode node2 std::make_sharedNode();
node1-next node2;
node2-next node1; // 循环引用内存泄漏解决方案 将其中一个指针改为 std::weak_ptr打破循环。class Node {
public:std::shared_ptrNode next;std::weak_ptrNode prev; // 使用weak_ptr
};2. 所有权不明确
问题多个指针指向同一资源可能导致重复释放或悬垂指针。解决方案 使用 std::unique_ptr 明确所有权。需要共享所有权时使用 std::shared_ptr并确保无循环引用。
3. 手动管理内存的复杂性
问题手动 new/delete 在复杂结构中容易出错。解决方案 优先使用智能指针和容器如 std::vector、std::list。 二、设计原则
1. RAII资源获取即初始化
原则资源内存、文件句柄等的获取与对象生命周期绑定。示例用 std::unique_ptr 管理链表节点。class LinkedList {
private:struct Node {int data;std::unique_ptrNode next;};std::unique_ptrNode head;
};2. 最小化共享状态
原则减少对象间的依赖避免复杂引用。技巧 使用值语义拷贝而非共享传递数据。用事件/观察者模式替代直接指针引用。
3. 避免深层嵌套
原则过深的嵌套结构如多级链表、树会增加调试和维护难度。优化 使用扁平化数据结构如跳跃表、哈希表。限制层级深度或使用缓存优化访问路径。 三、实现技巧
1. 双向链表的正确实现
class DoublyLinkedList {
private:struct Node {int data;std::unique_ptrNode next;Node* prev nullptr; // 使用原始指针指向前驱避免循环引用};std::unique_ptrNode head;Node* tail nullptr;public:~DoublyLinkedList() {// 无需手动释放节点unique_ptr自动管理}void push_back(int value) {auto new_node std::make_uniqueNode();new_node-data value;if (!head) {head std::move(new_node);tail head.get();} else {new_node-prev tail;tail-next std::move(new_node);tail tail-next.get();}}
};2. 树的实现使用智能指针
class Tree {
private:struct TreeNode {int value;std::unique_ptrTreeNode left;std::unique_ptrTreeNode right;};std::unique_ptrTreeNode root;public:// 插入、删除等操作需递归处理子节点
};3. 图的实现避免循环引用
class Graph {
private:struct Vertex {int id;std::vectorstd::weak_ptrVertex neighbors; // 使用weak_ptr};std::vectorstd::shared_ptrVertex vertices;
};四、调试与检测工具
Valgrind检测内存泄漏和非法访问。valgrind --leak-checkfull ./your_programAddressSanitizer (ASan)快速检测内存错误。g -fsanitizeaddress -g your_code.cpp智能指针的调试 使用 gdb 或 lldb 检查 std::shared_ptr 的引用计数(gdb) p *(std::shared_ptrNode*)0x7fffffffdbe0五、总结
问题解决方案循环引用使用 std::weak_ptr 替代部分 std::shared_ptr所有权不明确优先使用 std::unique_ptr必要时用 std::shared_ptr手动内存管理复杂用智能指针和STL容器替代裸指针和数组深层嵌套结构优化数据结构设计如扁平化、缓存
核心建议
优先使用智能指针避免手动 new/delete。明确所有权区分唯一所有权 (unique_ptr) 和共享所有权 (shared_ptr)。简化设计避免过度复杂的引用关系必要时重构代码。
通过合理设计和使用工具可以有效管理复杂数据结构的生命周期减少错误风险。
16 优先选择移动语义和写前拷贝而不是浅拷贝。
在C中移动语义Move Semantics 和 写时拷贝Copy-on-Write, COW 是优化资源管理的两种重要技术。相较于浅拷贝Shallow Copy它们能显著提升性能并避免潜在错误。以下是详细分析和场景对比 一、技术对比
技术适用场景优势风险浅拷贝无资源所有权的简单数据简单快速资源重复释放、悬垂指针移动语义资源所有权需转移如动态内存、文件句柄零拷贝、高性能原对象失效需显式管理状态写时拷贝读多写少的共享数据如字符串、配置延迟拷贝、节省内存引用计数开销、多线程竞争风险 二、优先使用移动语义的场景
1. 资源所有权转移
当对象持有独占资源如动态内存、文件句柄时通过移动语义高效转移资源避免深拷贝开销。
class Buffer {
public:Buffer(size_t size) : data_(new int[size]), size_(size) {}// 移动构造函数Buffer(Buffer other) noexcept : data_(other.data_), size_(other.size_) {other.data_ nullptr; // 原对象放弃资源所有权other.size_ 0;}~Buffer() { delete[] data_; }private:int* data_;size_t size_;
};Buffer buf1(1024);
Buffer buf2 std::move(buf1); // 零拷贝转移资源2. 容器操作优化
STL容器如std::vector利用移动语义提升插入/删除性能。
std::vectorstd::string vec;
std::string large_str This is a large string...;
vec.push_back(std::move(large_str)); // 移动而非拷贝3. 工厂函数返回值
返回大型对象时编译器会自动应用返回值优化RVO或移动语义。
Buffer createBuffer() {Buffer buf(4096);return buf; // 优先触发移动而非拷贝
}三、写时拷贝COW的应用
1. 共享读多写少的数据
当数据被多个对象共享且修改频率低时COW延迟拷贝直到首次写入。
class CowString {
public:CowString(const char* str) : data_(std::make_sharedstd::string(str)) {}// 读操作共享数据char operator[](size_t index) const {return (*data_)[index];}// 写操作触发拷贝如果共享计数1char operator[](size_t index) {if (data_.use_count() 1) {data_ std::make_sharedstd::string(*data_);}return (*data_)[index];}private:std::shared_ptrstd::string data_;
};CowString s1 Hello;
CowString s2 s1; // 浅拷贝共享数据
s2[0] J; // 触发深拷贝s2独立2. 性能权衡
优势减少不必要的拷贝节省内存和CPU时间。代价引用计数开销多线程下需加锁或原子操作。 四、避免浅拷贝的场景
1. 资源管理类
浅拷贝会导致重复释放资源
class BadFileHandle {
public:BadFileHandle(const char* path) { file_ fopen(path, r); }~BadFileHandle() { if (file_) fclose(file_); }private:FILE* file_; // 默认浅拷贝会导致双重fclose
};BadFileHandle f1(data.txt);
BadFileHandle f2 f1; // 危险f1和f2的file_指向同一文件2. 解决方案
禁用拷贝 delete 拷贝操作。定义深拷贝显式拷贝资源。改用移动语义转移资源所有权。 五、决策流程图
是否需要拷贝资源 ——否——→ 使用移动语义||是|
是否需要共享数据 ——否——→ 深拷贝||是|
写操作频率低 ——是——→ 写时拷贝COW||否|深拷贝六、总结
技术选择最佳实践移动语义优先用于资源所有权转移的场景如动态数组、文件句柄写时拷贝适用于共享数据且写操作稀少的场景如配置对象、日志系统深拷贝明确需要独立副本且无法共享时浅拷贝避免使用除非数据无资源管理需求如POD类型
关键原则
移动语义实现零拷贝转移优先用于临时对象或工厂返回值。写时拷贝通过共享数据减少拷贝开销但需注意线程安全。浅拷贝仅适用于无资源依赖的简单数据如 int、double。
通过合理选择拷贝策略可显著提升程序性能和资源管理安全性。
17 如果一个类被用作基类防止切片现象。
在C中当派生类对象被赋值或拷贝到基类对象时会发生对象切片Object Slicing导致派生类的特有成员和方法丢失。为防止这种现象需通过以下方法设计基类 1. 将基类设为抽象类推荐
通过声明纯虚函数使基类无法实例化强制用户通过指针或引用操作派生类对象。
class Animal {
public:virtual ~Animal() default;virtual void speak() const 0; // 纯虚函数 → 抽象类
};class Dog : public Animal {
public:void speak() const override { std::cout Woof! std::endl; }void wagTail() { /* Dog特有方法 */ }
};int main() {// Animal a; // 错误无法实例化抽象类Dog d;Animal a_ref d; // 正确通过引用避免切片Animal* a_ptr d; // 正确通过指针避免切片return 0;
}2. 禁用基类拷贝操作
若基类需允许实例化但需防止派生类被切片将拷贝构造函数和拷贝赋值运算符设为 protected 或 delete。
class Base {
public:Base() default;virtual ~Base() default;protected:// 基类可被派生类拷贝但外部无法拷贝基类对象Base(const Base) default;Base operator(const Base) default;
};class Derived : public Base {
public:Derived() default;Derived(const Derived other) : Base(other) { /* 派生类拷贝逻辑 */ }Derived operator(const Derived other) {Base::operator(other);return *this;}
};int main() {Derived d1;Derived d2 d1; // 正确调用派生类拷贝构造函数// Base b d1; // 错误基类拷贝构造函数为protectedreturn 0;
}3. 使用智能指针传递对象
通过 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr 管理对象生命周期避免直接拷贝。
void processAnimal(std::unique_ptrAnimal animal) {animal-speak();
}int main() {auto dog std::make_uniqueDog();processAnimal(std::move(dog)); // 传递所有权无切片return 0;
}4. 使用移动语义C11
将基类的移动构造函数和移动赋值运算符设为 protected 或删除防止通过移动导致切片。
class Base {
public:Base() default;virtual ~Base() default;protected:Base(Base) default;Base operator(Base) default;
};总结
方法适用场景优点缺点抽象类基类无需实例化强制使用指针/引用彻底防止切片基类必须包含纯虚函数禁用拷贝操作基类需实例化但防止切片灵活控制基类拷贝行为需显式管理派生类拷贝逻辑智能指针传递需动态管理对象生命周期避免手动内存管理减少切片风险增加代码复杂度
最佳实践
优先将基类设为抽象类通过纯虚函数禁止实例化。若基类需实例化使用 protected 访问控制限制拷贝操作。传递对象时使用引用、指针或智能指针避免值传递。
18 如果一个类需要一个拷贝操作或一个析构函数它可能需要一个构造函数、一个析构函数、一个拷贝赋值操作以及一个拷贝构造函数。
在C中三五法则Rule of Three/Five 明确指出如果一个类需要显式定义以下任一成员函数则通常需要显式定义所有相关的资源管理函数以确保对象生命周期的正确性和安全性
核心原则
析构函数Destructor 负责释放资源如动态内存、文件句柄、网络连接等。拷贝构造函数Copy Constructor 实现资源的深拷贝避免浅拷贝导致的重复释放或悬垂指针。拷贝赋值运算符Copy Assignment Operator 处理对象赋值时的资源释放与新资源的拷贝。
如果类需要自定义这些操作中的任意一个通常需要同时定义所有三个函数。 C11后扩展为五法则新增移动构造函数和移动赋值运算符但此处聚焦传统三法则。 为什么需要同时定义
场景管理动态内存的类
假设一个类管理动态数组若只定义析构函数而未定义拷贝操作默认的浅拷贝会导致多个对象指向同一内存析构时重复释放
class BadArray {
public:BadArray(int size) : data_(new int[size]), size_(size) {}~BadArray() { delete[] data_; } // 析构函数释放内存private:int* data_;int size_;
};BadArray a1(10);
BadArray a2 a1; // 默认浅拷贝a2.data_ a1.data_
// 析构时a1和a2的data_会被重复释放 → 崩溃解决方案遵循三五法则
class SafeArray {
public:// 构造函数分配资源SafeArray(int size) : data_(new int[size]), size_(size) {}// 析构函数释放资源~SafeArray() { delete[] data_; }// 拷贝构造函数深拷贝SafeArray(const SafeArray other) : data_(new int[other.size_]), size_(other.size_) {std::copy(other.data_, other.data_ size_, data_);}// 拷贝赋值运算符释放旧资源并深拷贝新资源SafeArray operator(const SafeArray other) {if (this ! other) { // 避免自赋值delete[] data_;data_ new int[other.size_];size_ other.size_;std::copy(other.data_, other.data_ size_, data_);}return *this;}private:int* data_;int size_;
};是否需要定义构造函数
是如果类的资源需要在构造时分配如动态内存需自定义构造函数。否若类的资源由外部传入如通过参数初始化智能指针可能不需要自定义构造函数。
// 示例使用智能指针管理资源无需自定义构造函数
class SmartArray {
public:// 构造函数接收现有资源无需分配SmartArray(std::unique_ptrint[] data, int size) : data_(std::move(data)), size_(size) {}// 析构函数无需手动释放智能指针自动管理~SmartArray() default;private:std::unique_ptrint[] data_; // 资源由外部管理int size_;
};例外情况
1. 仅移动类型Move-Only Types
若类禁止拷贝但允许移动如 std::unique_ptr只需定义移动操作和析构函数
class MoveOnly {
public:MoveOnly() default;~MoveOnly() default;// 禁用拷贝MoveOnly(const MoveOnly) delete;MoveOnly operator(const MoveOnly) delete;// 允许移动MoveOnly(MoveOnly) default;MoveOnly operator(MoveOnly) default;
};2. 不可拷贝/不可移动类型
若类既不可拷贝也不可移动仅需禁用相关操作
class NonCopyable {
public:NonCopyable() default;~NonCopyable() default;NonCopyable(const NonCopyable) delete;NonCopyable operator(const NonCopyable) delete;
};总结
类的行为需要定义的函数管理资源如动态内存构造函数、析构函数、拷贝构造函数、拷贝赋值运算符三五法则仅移动不可拷贝构造函数可选、析构函数、移动构造函数、移动赋值运算符五法则不可拷贝/不可移动禁用拷贝/移动操作 delete
核心原则
资源所有权明确确保每个资源仅被一个对象管理。深拷贝或移动拷贝操作需复制资源移动操作需转移所有权。禁用无效操作通过 delete 避免隐式生成不安全的行为。
通过遵循三五法则可以避免资源泄漏、重复释放和悬垂指针从而编写出安全且高效的C类。
19 如果一个类有一个指针成员它可能需要一个析构函数和非默认拷贝操作。
在C中如果类包含指针成员并管理动态资源如堆内存、文件句柄等必须遵循三五法则Rule of Three/Five即显式定义析构函数和深拷贝操作拷贝构造函数、拷贝赋值运算符或禁用拷贝操作。以下是详细分析及实现示例 一、默认行为的风险
若类包含指针成员但未自定义拷贝操作编译器生成的默认拷贝构造函数和赋值运算符会执行浅拷贝导致多个对象共享同一资源可能引发以下问题
重复释放Double Free多个对象析构时尝试释放同一内存。悬垂指针Dangling Pointer一个对象释放资源后其他对象仍持有无效指针。内存泄漏Memory Leak未正确释放资源。
示例默认拷贝导致重复释放
class String {
public:String(const char* str ) {data_ new char[strlen(str) 1];strcpy(data_, str);}~String() { delete[] data_; } // 析构函数正确释放内存private:char* data_;
};int main() {String s1(Hello);String s2 s1; // 默认浅拷贝s2.data_ 指向 s1.data_ 的内存return 0; // 析构时 s1 和 s2 均调用 delete[] → 崩溃
}二、解决方案定义深拷贝操作
1. 拷贝构造函数深拷贝
String(const String other) {data_ new char[strlen(other.data_) 1];strcpy(data_, other.data_); // 深拷贝
}2. 拷贝赋值运算符深拷贝 自赋值检查
String operator(const String other) {if (this ! other) { // 防止自赋值delete[] data_; // 释放旧资源data_ new char[strlen(other.data_) 1];strcpy(data_, other.data_); // 深拷贝新资源}return *this;
}3. 完整示例
class SafeString {
public:SafeString(const char* str ) {data_ new char[strlen(str) 1];strcpy(data_, str);}~SafeString() { delete[] data_; }// 深拷贝构造函数SafeString(const SafeString other) {data_ new char[strlen(other.data_) 1];strcpy(data_, other.data_);}// 深拷贝赋值运算符SafeString operator(const SafeString other) {if (this ! other) {delete[] data_;data_ new char[strlen(other.data_) 1];strcpy(data_, other.data_);}return *this;}private:char* data_;
};int main() {SafeString s1(Hello);SafeString s2 s1; // 正确深拷贝return 0; // 安全析构无重复释放
}三、替代方案禁用拷贝操作
若类不应被拷贝如管理唯一资源的句柄直接禁用拷贝操作
class UniqueFileHandle {
public:UniqueFileHandle(const char* path) { file_ fopen(path, r); }~UniqueFileHandle() { if (file_) fclose(file_); }// 禁用拷贝UniqueFileHandle(const UniqueFileHandle) delete;UniqueFileHandle operator(const UniqueFileHandle) delete;private:FILE* file_;
};int main() {UniqueFileHandle f1(data.txt);// UniqueFileHandle f2 f1; // 编译错误拷贝被禁用return 0;
}四、扩展移动语义C11
若类支持资源所有权转移可定义移动操作移动构造函数、移动赋值运算符以提升性能
class String {
public:// 移动构造函数String(String other) noexcept : data_(other.data_) { // 窃取资源other.data_ nullptr; // 原对象置空}// 移动赋值运算符String operator(String other) noexcept {if (this ! other) {delete[] data_;data_ other.data_;other.data_ nullptr;}return *this;}private:char* data_;
};五、总结
场景操作管理动态资源定义析构函数、深拷贝构造函数、深拷贝赋值运算符三五法则资源不可拷贝禁用拷贝操作 delete优化资源转移定义移动操作五法则
关键原则
深拷贝确保每个对象拥有独立的资源副本。自赋值检查在赋值运算符中处理 this other 的情况。移动语义允许高效转移资源所有权C11起。
遵循这些规则可确保指针成员类的资源管理安全可靠避免内存相关错误。
20 如果一个类是一个资源句柄它需要一个构造函数、一个析构函数和非默认拷贝操作。
在C中资源句柄类Resource Handle 管理着需要显式获取和释放的资源如动态内存、文件句柄、网络连接等。为确保资源的正确生命周期管理这类类通常需要遵循以下规则 核心原则三五法则Rule of Three/Five
如果类需要手动管理资源则必须显式定义或禁用以下成员函数
构造函数负责资源的获取或初始化。析构函数负责资源的释放。拷贝操作拷贝构造函数和拷贝赋值运算符 深拷贝复制资源需完全独立副本。禁用拷贝若资源不可复制如 std::mutex、文件句柄。 移动操作移动构造函数和移动赋值运算符C11起 高效转移资源所有权零拷贝。 一、资源句柄类的典型实现
1. 构造函数获取资源
class FileHandle {
public:// 构造函数打开文件explicit FileHandle(const std::string path) {file_ fopen(path.c_str(), r);if (!file_) throw std::runtime_error(File open failed);}
};2. 析构函数释放资源
~FileHandle() {if (file_) fclose(file_);
}3. 拷贝操作深拷贝或禁用
深拷贝示例假设文件句柄允许复制FileHandle(const FileHandle other) {// 假设文件句柄可复制实际场景需根据资源类型处理file_ fopen(other.path_.c_str(), r);
}FileHandle operator(const FileHandle other) {if (this ! other) {fclose(file_);file_ fopen(other.path_.c_str(), r);}return *this;
}禁用拷贝示例资源不可共享FileHandle(const FileHandle) delete;
FileHandle operator(const FileHandle) delete;4. 移动操作C11转移资源所有权
FileHandle(FileHandle other) noexcept : file_(other.file_) {other.file_ nullptr; // 原对象放弃资源
}FileHandle operator(FileHandle other) noexcept {if (this ! other) {fclose(file_);file_ other.file_;other.file_ nullptr;}return *this;
}二、资源管理策略对比
策略适用场景实现方式深拷贝资源可安全复制如动态内存拷贝操作中创建独立资源副本。禁用拷贝资源不可共享如文件句柄使用 delete 禁用拷贝操作仅允许移动语义。移动语义资源所有权需高效转移移动操作中转移资源原对象置空。 三、示例动态内存管理深拷贝
class Vector {
public:// 构造函数分配内存Vector(size_t size) : data_(new int[size]), size_(size) {}// 析构函数释放内存~Vector() { delete[] data_; }// 深拷贝构造函数Vector(const Vector other) : data_(new int[other.size_]), size_(other.size_) {std::copy(other.data_, other.data_ size_, data_);}// 深拷贝赋值运算符Vector operator(const Vector other) {if (this ! other) {delete[] data_;data_ new int[other.size_];size_ other.size_;std::copy(other.data_, other.data_ size_, data_);}return *this;}private:int* data_;size_t size_;
};四、示例不可复制的资源禁用拷贝允许移动
class UniqueFile {
public:// 构造函数打开文件explicit UniqueFile(const std::string path) : file_(fopen(path.c_str(), r)) {if (!file_) throw std::runtime_error(File open failed);}// 析构函数关闭文件~UniqueFile() { if (file_) fclose(file_); }// 禁用拷贝UniqueFile(const UniqueFile) delete;UniqueFile operator(const UniqueFile) delete;// 移动构造函数UniqueFile(UniqueFile other) noexcept : file_(other.file_) {other.file_ nullptr;}// 移动赋值运算符UniqueFile operator(UniqueFile other) noexcept {if (this ! other) {fclose(file_);file_ other.file_;other.file_ nullptr;}return *this;}private:FILE* file_;
};五、总结
成员函数职责构造函数获取资源如分配内存、打开文件。析构函数释放资源如释放内存、关闭文件。拷贝操作深拷贝资源或禁用拷贝根据资源是否可共享。移动操作高效转移资源所有权C11起推荐。
关键原则
资源所有权明确确保每个资源仅由一个对象管理。禁用无效操作通过 delete 避免隐式生成不安全的默认行为。异常安全构造函数和赋值操作需保证资源泄漏风险最小。
通过合理设计构造函数、析构函数和拷贝/移动操作可以避免资源泄漏、重复释放和悬垂指针从而编写出安全高效的资源管理类。
21 如果一个默认构造函数、赋值操作或析构函数是恰当的让编译器自动生成它不要自己重新编写。
在C中遵循“Rule of Zero”零法则 是一种现代最佳实践即 如果类的默认构造函数、拷贝操作拷贝构造函数/赋值运算符、移动操作移动构造函数/赋值运算符或析构函数的行为是合理且安全的应优先让编译器自动生成这些函数而非手动实现。 这可以减少代码冗余、避免人为错误并提高可维护性。 一、何时依赖编译器生成的默认函数
1. 类的成员能自行管理资源
当类的成员是以下类型时默认生成的函数通常已足够
标准库容器如 std::vector、std::string。智能指针如 std::unique_ptr、std::shared_ptr。其他RAII类型如 std::fstream、std::mutex。
示例
class Widget {
public:// 无需手动定义任何特殊成员函数// 编译器自动生成默认构造、拷贝、移动、析构
private:std::string name_; // 自动管理字符串内存std::vectorint data_; // 自动管理动态数组std::mutex mtx_; // 自动处理互斥锁
};2. 类无资源管理需求
若类仅包含基本类型如 int、double或平凡类型POD默认生成的函数可直接按值拷贝或初始化。
struct Point {int x 0; // 类内初始化提供默认值int y 0; // 编译器生成默认构造函数和拷贝操作
};二、默认生成函数的行为
函数行为默认构造函数按成员默认初始化若成员有类内初始化器否则值未定义。拷贝构造函数逐成员拷贝调用每个成员的拷贝构造函数。拷贝赋值运算符逐成员赋值调用每个成员的拷贝赋值运算符。移动构造函数逐成员移动调用每个成员的移动构造函数。移动赋值运算符逐成员移动赋值调用每个成员的移动赋值运算符。析构函数逐成员析构调用每个成员的析构函数。 三、需手动定义函数的场景
1. 资源需显式管理
若类直接管理动态内存、文件句柄等资源必须手动定义拷贝/移动操作和析构函数遵循三五法则。
class ManualString {
public:ManualString(const char* str) : data_(new char[strlen(str) 1]) {strcpy(data_, str);}// 必须手动定义拷贝构造、拷贝赋值、析构函数~ManualString() { delete[] data_; }ManualString(const ManualString other) { /* 深拷贝逻辑 */ }ManualString operator(const ManualString other) { /* 深拷贝逻辑 */ }private:char* data_;
};2. 需要禁用某些操作
若类不可拷贝或不可移动需显式删除相关函数。
class NonCopyable {
public:NonCopyable() default;NonCopyable(const NonCopyable) delete;NonCopyable operator(const NonCopyable) delete;
};3. 需要多态基类
若类作为基类且含虚函数需定义虚析构函数。
class Base {
public:virtual ~Base() default; // 虚析构函数
};四、现代C的解决方案Rule of Zero
通过组合现有的资源管理类如智能指针、容器避免手动管理资源从而无需定义任何特殊成员函数。
class SafeString {
public:// 使用unique_ptr管理动态内存无需手动定义任何函数SafeString(const char* str) : data_(std::make_uniquechar[](std::strlen(str) 1)) {std::strcpy(data_.get(), str);}private:std::unique_ptrchar[] data_;
};五、总结
场景策略成员能自行管理资源依赖编译器生成的默认函数Rule of Zero直接管理资源手动定义拷贝/移动操作和析构函数三五法则禁用拷贝或移动使用 delete 显式删除相关操作多态基类定义虚析构函数
核心原则
优先使用标准库和RAII类型如 std::vector、std::unique_ptr避免手动资源管理。除非必要否则不写代码编译器生成的默认函数更简洁、更安全。
22 显式说明你的不变量用构造函数建立不变量用赋值操作保持不变量。
在C中类的不变量Class Invariants 是对象在生命周期内必须始终满足的逻辑条件。显式定义并维护这些不变量是确保类行为正确性的关键。以下是具体实践方法 一、显式说明不变量
在类定义中通过注释或文档明确说明不变量例如
/*** 日期类* 不变量* - 1 month 12* - 1 day days_in_month(month, year)*/
class Date {
public:// ...
};二、构造函数建立不变量
构造函数负责接收参数并进行验证确保对象初始状态满足不变量。若参数非法抛出异常。
示例日期类构造函数
class Date {
public:Date(int year, int month, int day) {if (month 1 || month 12) throw std::invalid_argument(Invalid month);if (day 1 || day days_in_month(year, month))throw std::invalid_argument(Invalid day);year_ year;month_ month;day_ day;}private:int year_, month_, day_;static int days_in_month(int year, int month) {// 返回该月的天数考虑闰年}
};关键点
参数验证在构造函数中检查参数合法性。异常处理若参数非法立即抛出异常阻止无效对象创建。 三、赋值操作符保持不变量
赋值操作符需确保修改后的对象状态仍满足不变量。通常分三步
验证新值合法性。释放旧资源若涉及动态内存。更新状态并保持不变量。
示例日期类赋值操作符
class Date {
public:Date operator(const Date other) {if (this ! other) {// 验证新值是否合法if (other.month_ 1 || other.month_ 12)throw std::invalid_argument(Invalid month);if (other.day_ 1 || other.day_ days_in_month(other.year_, other.month_))throw std::invalid_argument(Invalid day);// 更新状态year_ other.year_;month_ other.month_;day_ other.day_;}return *this;}
};优化通过辅助函数复用验证逻辑
private:void validate(int year, int month, int day) const {if (month 1 || month 12)throw std::invalid_argument(Invalid month);if (day 1 || day days_in_month(year, month))throw std::invalid_argument(Invalid day);}public:Date operator(const Date other) {if (this ! other) {validate(other.year_, other.month_, other.day_);year_ other.year_;month_ other.month_;day_ other.day_;}return *this;}四、其他成员函数维护不变量
任何可能改变对象状态的公有方法如 setMonth均需验证不变量。
示例修改月份的方法
void Date::setMonth(int month) {if (month 1 || month 12)throw std::invalid_argument(Invalid month);if (day_ days_in_month(year_, month)) // 检查当前天数是否对新月份有效throw std::invalid_argument(Invalid day for new month);month_ month;
}五、使用RAII简化资源管理
对于管理资源的类如动态内存、文件句柄通过RAII自动管理资源生命周期减少手动验证。
示例智能指针管理动态数组
class SafeArray {
public:SafeArray(size_t size) : data_(std::make_uniqueint[](size)), size_(size) {}// 无需显式定义析构函数、拷贝操作禁用拷贝// 移动操作由 unique_ptr 自动处理private:std::unique_ptrint[] data_;size_t size_;
};六、总结
操作职责关键实现构造函数验证参数合法性确保初始状态满足不变量参数检查 抛出异常赋值操作符验证新值合法性更新状态并保持不变量复用构造函数验证逻辑 状态更新修改状态方法在修改前后验证不变量调用私有验证函数RAII类成员自动管理资源减少手动验证使用智能指针、容器等
最佳实践
集中验证逻辑通过私有函数如 validate()统一处理不变量检查。优先使用RAII避免手动管理资源减少出错可能。彻底防御非法状态在公有接口中拦截所有可能破坏不变量的操作。
通过严格遵循这些原则可以确保类的对象始终处于有效状态提升代码健壮性和可维护性。
23 确保拷贝赋值操作能安全进行自赋值。
在C中确保拷贝赋值运算符Copy Assignment Operator正确处理自赋值Self-Assignment 是避免资源泄漏和未定义行为的关键。以下是实现安全的拷贝赋值操作的具体方法和示例 一、自赋值的风险
当对象赋值给自己如 obj obj时若未正确处理可能导致
资源提前释放在拷贝前释放自身资源后复制的数据已被销毁。重复释放同一资源被释放多次导致程序崩溃。数据丢失资源被覆盖后无法恢复。
错误示例
class String {
public:String operator(const String other) {delete[] data_; // 释放当前资源data_ new char[strlen(other.data_) 1]; // 若自赋值此时 other.data_ 已被删除strcpy(data_, other.data_); // 复制无效内存 → 未定义行为return *this;}private:char* data_;
};二、解决方案
1. 检查自赋值
通过 if (this other) 直接跳过自赋值操作
String operator(const String other) {if (this ! other) { // 检查自赋值delete[] data_; // 安全释放旧资源data_ new char[strlen(other.data_) 1];strcpy(data_, other.data_);}return *this;
}2. 拷贝并交换Copy-and-Swap
利用临时对象和交换操作同时处理自赋值和异常安全
class String {
public:// 拷贝赋值运算符String operator(const String other) { // 传值触发拷贝构造函数swap(other); // 交换资源return *this;}// 交换成员数据void swap(String other) noexcept {std::swap(data_, other.data_);}private:char* data_;
};优点
自动处理自赋值传值时若发生自赋值other 是原对象的副本交换后原对象状态仍有效。强异常安全资源分配在拷贝构造函数中完成若失败不会影响原对象。 三、完整示例
class String {
public:String(const char* str ) {data_ new char[strlen(str) 1];strcpy(data_, str);}// 拷贝构造函数String(const String other) : String(other.data_) {}// 拷贝赋值运算符Copy-and-SwapString operator(String other) { // 传值调用拷贝构造swap(other);return *this;}// 交换函数void swap(String other) noexcept {std::swap(data_, other.data_);}~String() { delete[] data_; }private:char* data_;
};// 使用示例
String s1(Hello);
s1 s1; // 安全自赋值四、关键原则
方法适用场景优点缺点自赋值检查简单资源管理类直接高效需手动处理异常安全拷贝并交换需要强异常安全的复杂类自动处理自赋值代码简洁额外拷贝可能影响性能 五、总结
始终处理自赋值即使自赋值看似罕见也应确保代码鲁棒性。优先使用“拷贝并交换”简化代码且提供异常安全。结合RAII使用智能指针如 std::unique_ptr自动管理资源减少手动检查。
通过上述方法可确保拷贝赋值操作符在自赋值和其他场景下均安全可靠。
24 当向类添加一个新成员时检查用户自定义构造函数是否需要更新以便初始化新加入的成员。
当向类中添加新成员时为确保该成员被正确初始化需按以下步骤检查和更新用户自定义构造函数 1. 确定所有自定义构造函数
列出类中所有用户显式定义的构造函数包括
默认构造函数参数化构造函数拷贝构造函数移动构造函数C11起
示例
class Widget {
public:Widget() : a(0), b(0) {} // 默认构造函数Widget(int x, int y) : a(x), b(y) {} // 参数化构造函数Widget(const Widget other) : a(other.a), b(other.b) {} // 拷贝构造函数
private:int a;int b;
};2. 检查每个构造函数的初始化列表
确保新成员被添加到初始化列表中或通过类内初始化器C11起提供默认值。
示例添加新成员 int c。
class Widget {
public:// 更新默认构造函数Widget() : a(0), b(0), c(0) {} // 更新参数化构造函数Widget(int x, int y, int z) : a(x), b(y), c(z) {}// 更新拷贝构造函数Widget(const Widget other) : a(other.a), b(other.b), c(other.c) {}private:int a;int b;int c 0; // 类内初始化器可选
};3. 处理构造函数体内的赋值
若构造函数通过赋值而非初始化列表初始化成员需新增对新成员的赋值。
示例
class Widget {
public:Widget(int x, int y) {a x; // 非初始化列表b y;c 0; // 新增成员赋值}
private:int a;int b;int c;
};4. 确保默认构造函数正确处理新成员
若类依赖编译器生成的默认构造函数且新成员无类内初始化器需显式定义默认构造函数。
示例
class Widget {
public:Widget() default; // 编译器生成默认构造若c无类内初始化可能导致未初始化
private:int a;int b;int c; // 无类内初始化器 → 默认构造后c值未定义
};// 修复显式定义默认构造函数
Widget::Widget() : a(0), b(0), c(0) {}5. 处理依赖其他成员的初始化
若新成员的初始化依赖其他成员确保初始化顺序正确。
示例
class Widget {
public:Widget(int x) : a(x), c(a * 2) {} // 正确a先初始化
private:int a;int c; // c依赖a的值
};// 错误示例初始化顺序错误
Widget::Widget(int x) : c(a * 2), a(x) {} // a未初始化时使用其值 → 未定义行为6. 验证拷贝/移动操作
若类定义拷贝/移动构造函数或赋值运算符确保新成员被正确处理。
示例
class Widget {
public:Widget operator(const Widget other) {if (this ! other) {a other.a;b other.b;c other.c; // 新增成员的拷贝}return *this;}
private:int a, b, c;
};7. 测试与调试
通过单元测试验证所有构造函数是否正确初始化新成员
TEST(WidgetTest, Initialization) {Widget w1; // 默认构造ASSERT_EQ(w1.c, 0);Widget w2(1, 2, 3); // 参数化构造ASSERT_EQ(w2.c, 3);Widget w3 w2; // 拷贝构造ASSERT_EQ(w3.c, 3);
}总结
步骤关键操作列出所有构造函数检查默认构造、参数化构造、拷贝构造、移动构造等。更新初始化列表在初始化列表中显式初始化新成员。处理构造函数体内的赋值若构造函数通过赋值初始化成员需新增对新成员的赋值。确保默认构造安全显式定义默认构造函数或使用类内初始化器。验证依赖关系确保新成员的初始化顺序正确避免未定义行为。更新拷贝/移动操作在拷贝构造、移动构造和赋值运算符中处理新成员。单元测试编写测试用例验证所有场景下的初始化行为。
通过系统性地检查和更新构造函数可确保新增成员在所有场景下被正确初始化避免未定义行为和资源泄漏。
