问题:什么是三法则?

  • 复制对象是什么意思?
  • 复制构造函数复制分配运算符是什么?
  • 我什么时候需要自己声明它们?
  • 如何防止复制对象?
标签:c++,copy-constructor,assignment-operator,c++-faq,rule-of-three

回答1:

简介

C ++使用值语义处理用户定义类型的变量。这意味着在各种上下文中隐式复制对象,我们应该了解"复制对象"的实际含义。

让我们考虑一个简单的例子:

class person
{
    std::string name;
    int age;

public:

    person(const std::string& name, int age) : name(name), age(age)
    {
    }
};

int main()
{
    person a("Bjarne Stroustrup", 60);
    person b(a);   // What happens here?
    b = a;         // And here?
}

(如果您对名称(名称),年龄(年龄)部分感到困惑,这称为成员初始化程序列表。)

特殊成员函数

复制person对象是什么意思? main函数显示了两种不同的复制方案。初始化personb(a); copy构造函数执行。它的工作是根据现有对象的状态构造一个新对象。赋值b=a副本赋值运算符执行。它的工作通常要复杂一点,因为目标对象已经处于某种有效状态,需要处理。

由于我们自己都没有声明复制构造函数或赋值运算符(也没有析构函数),因此它们是为我们隐式定义的。引用标准:

复制构造函数和复制赋值运算符,析构函数是特殊的成员函数。 [注意当程序未明确声明它们时,该实现将隐式声明某些类类型的成员函数。如果使用它们,则实现将隐式定义它们。 [...]结束注释] [n3126.pdf第12节§1]

默认情况下,复制对象意味着复制其成员:

非联合类X的隐式定义的复制构造函数执行其子对象的成员复制。 [n3126.pdf第12.8节§16]

非联合类X的隐式定义的副本分配运算符对其子对象执行成员式副本分配。 [n3126.pdf第12.8§30节]

隐含定义

person隐式定义的特殊成员函数如下所示:

// 1. copy constructor
person(const person& that) : name(that.name), age(that.age)
{
}

// 2. copy assignment operator
person& operator=(const person& that)
{
    name = that.name;
    age = that.age;
    return *this;
}

// 3. destructor
~person()
{
}

在这种情况下,按成员身份复制正是我们想要的:复制nameage,这样我们得到了一个独立的,独立的person对象。隐式定义的析构函数始终为空。在这种情况下也可以,因为我们没有在构造函数中获取任何资源。在person析构函数完成之后,将隐式调用成员的析构函数:

在执行了析构函数的主体并销毁了主体中分配的所有自动对象之后,类X的析构函数调用X的直接成员的析构函数[n3126.pdf 12.4§6]

管理资源

那么我们什么时候应该显式声明那些特殊的成员函数?当我们的类管理资源时,也就是说,当该类的对象对该资源负责时。这通常意味着资源是在构造函数中获取(或传递到构造函数中),而在析构函数中是 released

让我们回到过去的标准C ++。没有std::string这样的东西,程序员喜欢上了指针。 person类可能看起来像这样:

class person
{
    char* name;
    int age;

public:

    // the constructor acquires a resource:
    // in this case, dynamic memory obtained via new[]
    person(const char* the_name, int the_age)
    {
        name = new char[strlen(the_name) + 1];
        strcpy(name, the_name);
        age = the_age;
    }

    // the destructor must release this resource via delete[]
    ~person()
    {
        delete[] name;
    }
};

即使到了今天,人们仍然以这种风格编写类并遇到麻烦:" 我将一个人推到一个向量中,现在我遇到了疯狂的内存错误!"请记住,默认情况下,复制一个对象表示复制其成员,但是复制name成员仅复制一个指针,而不复制它指向的字符数组!这有几个令人不快的效果:

  1. 通过a进行的更改可以通过b进行观察。
  2. 一旦b被破坏,a.name是悬空的指针。
  3. 如果a被破坏,则删除悬空指针会产生未定义的行为
  4. 由于赋值未考虑赋值之前指向的name所指向的内容,因此迟早您到处都会遇到内存泄漏。

明确定义

由于逐成员复制没有达到预期的效果,因此必须显式定义复制构造函数和复制赋值运算符以制作字符数组的深层副本:

// 1. copy constructor
person(const person& that)
{
    name = new char[strlen(that.name) + 1];
    strcpy(name, that.name);
    age = that.age;
}

// 2. copy assignment operator
person& operator=(const person& that)
{
    if (this != &that)
    {
        delete[] name;
        // This is a dangerous point in the flow of execution!
        // We have temporarily invalidated the class invariants,
        // and the next statement might throw an exception,
        // leaving the object in an invalid state :(
        name = new char[strlen(that.name) + 1];
        strcpy(name, that.name);
        age = that.age;
    }
    return *this;
}

请注意初始化和赋值之间的区别:在分配给name之前,我们必须拆除旧状态,以防止内存泄漏。另外,我们必须防止x=x形式的自赋值。如果没有检查,delete[]name将删除包含 source 字符串的数组,因为当您编写x=x时,两个this-> name that.name包含相同的指针。

异常安全性

不幸的是,如果newchar[...]由于内存耗尽而引发异常,则此解决方案将失败。一种可能的解决方案是引入局部变量并对语句重新排序:

// 2. copy assignment operator
person& operator=(const person& that)
{
    char* local_name = new char[strlen(that.name) + 1];
    // If the above statement throws,
    // the object is still in the same state as before.
    // None of the following statements will throw an exception :)
    strcpy(local_name, that.name);
    delete[] name;
    name = local_name;
    age = that.age;
    return *this;
}

这也可以在没有明确检查的情况下进行自我分配。 复制和交换成语是解决此问题的更可靠的方法,但我不会详细讨论异常这里的安全。我只提到异常来说明以下几点:编写管理资源的类很困难。

不可复制的资源

某些资源不能或不应被复制,例如文件句柄或互斥体。在这种情况下,只需将复制构造函数和复制赋值运算符声明为private而不给出定义:

private:

    person(const person& that);
    person& operator=(const person& that);

或者,您可以继承boost::noncopyable或将其声明为已删除(在C ++ 11及更高版本中):

person(const person& that) = delete;
person& operator=(const person& that) = delete;

三个规则

有时您需要实现一个管理资源的类。 (永远不要在一个类中管理多个资源,这只会导致痛苦。)在这种情况下,请记住三个规则

如果您需要自己显式声明析构函数,复制构造函数或复制赋值运算符,则可能需要显式声明这三个函数。

(不幸的是,C ++标准或我所知道的任何编译器都没有执行此"规则"。)

五个规则

从C ++ 11开始,对象具有2个额外的特殊成员函数:move构造函数和move赋值。五个国家也要执行这些功能。

带有签名的示例:

class person
{
    std::string name;
    int age;

public:
    person(const std::string& name, int age);        // Ctor
    person(const person &) = default;                // Copy Ctor
    person(person &&) noexcept = default;            // Move Ctor
    person& operator=(const person &) = default;     // Copy Assignment
    person& operator=(person &&) noexcept = default; // Move Assignment
    ~person() noexcept = default;                    // Dtor
};

零规则

3/5的规则也称为0/3/5的规则。规则的零部分表示在创建类时,您不得编写任何特殊的成员函数。

建议

大多数时候,您不需要自己管理资源,因为诸如std::string之类的现有类已经为您完成了。只需将使用std::string成员的简单代码与使用char*进行卷积且容易出错的替代方法进行比较,就应该确信了。只要您远离原始指针成员,三个规则就不太可能涉及您自己的代码。

回答2:

三人制是一个经验法则C ++,基本上是说

如果您的班级需要以下任何一项

  • 副本构造函数
  • 分配运算符
  • 析构函数

明确定义,则可能需要全部三个

这样做的原因是,这三个方法通常都用于管理资源,并且如果您的班级管理资源,则通常需要管理复制和释放。

如果没有很好的语义来复制您班级管理的资源,请考虑通过声明禁止复制(不是 定义 ),将复制构造函数和赋值运算符定义为private

(请注意,即将发布的C ++标准的新版本(即C ++ 11)向C ++添加了移动语义,这很可能会更改"三规则"。但是,我对此知之甚少,因此无法编写C + +11关于三法则的部分。)

回答3:

三巨头的定律如上所述。

用简单的英语简单说明其解决的问题:

非默认析构函数

您在构造函数中分配了内存,因此您需要编写一个析构函数才能将其删除。否则会导致内存泄漏。

您可能认为这已经完成了。

问题将是,如果对您的对象进行了复制,则该副本将指向与原始对象相同的内存。

一旦其中的一个删除了其析构函数中的内存,另一个将在尝试使用它时具有指向无效内存的指针(称为悬挂指针)。

因此,您编写了一个复制构造函数,以便它为新对象分配自己的内存以销毁。

分配运算符和副本构造函数

您在构造函数中分配了内存给类的成员指针。当您复制此类的对象时,默认的赋值运算符和复制构造函数会将该成员指针的值复制到新对象。

这意味着新对象和旧对象将指向同一块内存,因此当您在一个对象中对其进行更改时,另一个对象也将被更改。如果一个对象删除了该内存,另一个将继续尝试使用它-eek。

要解决此问题,请编写自己的版本的复制构造函数和赋值运算符。您的版本为新对象分配了单独的内存,并跨第一个指针指向的值(而不是其地址)进行复制。

回答4:

基本上,如果您有一个析构函数(不是默认的析构函数),则意味着您定义的类具有一定的内存分配。假设该类由某些客户端代码或您在外部使用。

    MyClass x(a, b);
    MyClass y(c, d);
    x = y; // This is a shallow copy if assignment operator is not provided

如果MyClass仅具有一些基本类型的成员,则默认的赋值运算符将起作用,但是如果它具有一些没有赋值运算符的指针成员和对象,则结果将是不可预测的。因此,我们可以说,如果在类的析构函数中有一些要删除的内容,则可能需要一个深层拷贝运算符,这意味着我们应该提供拷贝构造函数和赋值运算符。

回答5:

复制对象是什么意思?复制对象的方式有几种-让我们谈谈最有可能提及的两种-深层复制和浅层复制。

由于我们使用的是面向对象的语言(或至少假设是这样),所以假设您分配了一块内存。由于它是一种面向对象的语言,因此我们可以轻松地引用我们分配的内存块,因为它们通常是由我们自己的类型和基元构成的基本变量(int,char,bytes)或类定义的。假设我们有以下汽车类别:

class Car //A very simple class just to demonstrate what these definitions mean.
//It's pseudocode C++/Javaish, I assume strings do not need to be allocated.
{
private String sPrintColor;
private String sModel;
private String sMake;

public changePaint(String newColor)
{
   this.sPrintColor = newColor;
}

public Car(String model, String make, String color) //Constructor
{
   this.sPrintColor = color;
   this.sModel = model;
   this.sMake = make;
}

public ~Car() //Destructor
{
//Because we did not create any custom types, we aren't adding more code.
//Anytime your object goes out of scope / program collects garbage / etc. this guy gets called + all other related destructors.
//Since we did not use anything but strings, we have nothing additional to handle.
//The assumption is being made that the 3 strings will be handled by string's destructor and that it is being called automatically--if this were not the case you would need to do it here.
}

public Car(const Car &other) // Copy Constructor
{
   this.sPrintColor = other.sPrintColor;
   this.sModel = other.sModel;
   this.sMake = other.sMake;
}
public Car &operator =(const Car &other) // Assignment Operator
{
   if(this != &other)
   {
      this.sPrintColor = other.sPrintColor;
      this.sModel = other.sModel;
      this.sMake = other.sMake;
   }
   return *this;
}

}

深层复制是如果我们声明一个对象,然后创建该对象的完全独立的副本...我们最终将在2套完整的内存集中拥有2个对象。

Car car1 = new Car("mustang", "ford", "red");
Car car2 = car1; //Call the copy constructor
car2.changePaint("green");
//car2 is now green but car1 is still red.

现在让我们做一些奇怪的事情。假设car2编程错误或故意共享car1组成的实际内存。 (这样做通常是一个错误,而在课堂上通常是讨论该主题的毯子。)假装每次询问car2时,您实际上是在解析指向car1的内存空间的指针...或多或少是一个浅表副本是。

//Shallow copy example
//Assume we're in C++ because it's standard behavior is to shallow copy objects if you do not have a constructor written for an operation.
//Now let's assume I do not have any code for the assignment or copy operations like I do above...with those now gone, C++ will use the default.

 Car car1 = new Car("ford", "mustang", "red"); 
 Car car2 = car1; 
 car2.changePaint("green");//car1 is also now green 
 delete car2;/*I get rid of my car which is also really your car...I told C++ to resolve 
 the address of where car2 exists and delete the memory...which is also
 the memory associated with your car.*/
 car1.changePaint("red");/*program will likely crash because this area is
 no longer allocated to the program.*/

因此,无论您使用哪种语言编写,都要非常小心地复制对象,这是因为大多数时候您都希望进行深度复制。

什么是副本构造函数和副本分配运算符?我已经在上面使用了它们。当键入诸如Carcar2=car1;之类的代码时,将调用复制构造函数。从本质上讲,如果您声明了一个变量并将其分配给一行,则就是在调用复制构造函数时。当您使用等号-car2=car1;时,赋值运算符就会发生。注意,car2没有在同一条语句中声明。您为这些操作编写的两个代码块可能非常相似。实际上,典型的设计模式还具有另一个函数,一旦您满意初始复制/分配是合法的,就可以调用它来设置所有内容。如果您看一下我编写的手写代码,这些函数几乎是相同的。

我什么时候需要自己声明它们?如果您不是在编写要以某种方式共享或用于生产的代码,则实际上只需要在需要它们时声明它们即可。如果您选择``偶然''使用它而没有创造一种语言-即您将获得编译器的默认值。例如,我很少使用复制构造函数,但是赋值运算符的覆盖很常见。您知道吗,您也可以覆盖加法,减法等含义?

如何防止复制对象?合理的做法是,使用私有函数覆盖所有允许为对象分配内存的方式。如果您确实不希望人们复制它们,则可以将其公开并通过引发异常并且不复制对象来警告程序员。

回答6:

我什么时候需要自己声明它们?

三法则指出,如果您声明

中的任何一个
  1. 复制构造函数
  2. 复制分配运算符
  3. 析构函数

然后您应该声明所有三个。出于这样的观察,接管复制操作的含义的需求几乎总是源于执行某种资源管理的类,并且几乎总是暗示着

  • 在一个复制操作中完成任何资源管理可能都需要在另一复制操作中完成,并且

  • 类析构函数也将参与资源的管理(通常是释放资源)。要管理的经典资源是内存,这就是为什么所有管理内存的标准库类(例如,执行动态内存管理的STL容器)都声明"三者":复制操作和析构函数。

三个规则的结果是,用户声明的析构函数的存在表明,简单的成员明智的复制不太适合该类中的复制操作。反过来,这表明,如果一个类声明了一个析构函数,则可能不应该自动生成复制操作,因为它们不会做正确的事情。在采用C ++ 98时,这种思路的重要性并未得到充分认识,因此在C ++ 98中,用户声明的析构函数的存在对编译器生成复制操作的意愿没有影响。在C ++ 11中,情况仍然如此,但这只是因为限制复制操作的生成条件会破坏太多的旧代码。

如何防止复制对象?

将复制构造函数和复制赋值运算符声明为私有访问说明符。

class MemoryBlock
{
public:

//code here

private:
MemoryBlock(const MemoryBlock& other)
{
   cout<<"copy constructor"<<endl;
}

// Copy assignment operator.
MemoryBlock& operator=(const MemoryBlock& other)
{
 return *this;
}
};

int main()
{
   MemoryBlock a;
   MemoryBlock b(a);
}

从C ++ 11开始,您还可以声明复制构造函数和赋值运算符

class MemoryBlock
{
public:
MemoryBlock(const MemoryBlock& other) = delete

// Copy assignment operator.
MemoryBlock& operator=(const MemoryBlock& other) =delete
};


int main()
{
   MemoryBlock a;
   MemoryBlock b(a);
}

回答7:

许多现有答案已经触及复制构造函数,赋值运算符和析构函数。但是,在C ++ 11之后的版本中,move语义的引入可能会将其扩展到3以上。

最近,迈克尔·克莱斯(Michael Claisse)发表了一个涉及该主题的演讲: http://channel9.msdn.com/events/CPP/C-PP-Con-2014/The-Canonical-Class

回答8:

C ++中的三个规则是设计和开发三个要求的基本原则,即如果以下成员函数之一中有明确的定义,则程序员应一起定义其他两个成员函数。即以下三个成员函数是必不可少的:析构函数,复制构造函数,复制赋值运算符。

C ++中的复制构造函数是一个特殊的构造函数。它用于构建新对象,该新对象等效于现有对象的副本。

复制赋值运算符是一种特殊的赋值运算符,通常用于将现有对象指定给其他相同类型的对象。

有简单的例子:

// default constructor
My_Class a;

// copy constructor
My_Class b(a);

// copy constructor
My_Class c = a;

// copy assignment operator
b = a;
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