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C++详细讲解对象的构造

2024-04-02 19:04:59 743人浏览安东尼

摘要

目录一、对象的构造（上）1.1 对象的初始值1.2 对象的初始化1.3 小结二、对象的构造（中）2.1 构造函数2.2小实例2.3 小结三、对象的构造（下）3.1 特殊的构造函数3.

一、对象的构造（上）

1.1 对象的初始值

问题：对象中成员变量的初始值是多少？

下面的类定义中成员变量 i 和 j 的初始值为多少？

下面看一段成员变量初始值的代码：

#include<stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI() {return i;}
        int getJ() {return j;}
};
 
Test gt;
 
int main()
{
    printf("gt.i = %d\n", gt.getI());
    printf("gt.j = %d\n", gt.getJ());
    
    Test t1;
    
    printf("t1.i = %d\n", t1.getI());
    printf("t1.j = %d\n", t1.getJ());
    
    Test* pt = new Test;
    
    printf("pt->i = %d\n", pt->getI());
    printf("pt->j = %d\n", pt->getJ());   
    
    delete pt;
    
    return 0;
}

下面为输出结果：

对象t1 所占用的存储空间在栈上面，而且成员变量 i 和 j 也没有明确的初始值，所以初始值就不定。对象 gt 所占用的存储空间在全局数据区，所以初始值统一为 0。

Test* pt = new Test;意味着在堆空间中生成一个 Test 对象，虽然 pt->i 和 pt->j 均为 0，这只是巧合罢了，因为在堆上创建对象时，成员变量初始为随机值。

注：类得到的其实是数据类型，所以说通过这种数据类型在全局数据区、栈和堆上面都能够生成对象。

1.2 对象的初始化

从程序设计的角度，对象只是变量，因此：

在栈上创建对象时，成员变量初始为随机值
在堆上创建对象时，成员变量初始为随机值
在静态存储区创建对象时，成员变量初始为 0 值

生活中的对象都是在初始化后上市的

初始状态（出厂设置）是对象普遍存在的一个状态

—股而言，对象都需要—个确定的初始状态

解决方案

在类中提供一个 public 的 initialize 函数
对象创建后立即调用 initialize 函数进行初始化

如下：

下面看一段初始化函数的代码：

#include<stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI() {return i;}
        int getJ() {return j;}
        void initialize()
        {
            i = 1;
            j = 2;
        }
};
 
Test gt;
 
int main()
{
    gt.initialize();
    
    printf("gt.i = %d\n", gt.getI());
    printf("gt.j = %d\n", gt.getJ());
    
    Test t1;
    
    t1.initialize();
    
    printf("t1.i = %d\n", t1.getI());
    printf("t1.j = %d\n", t1.getJ());
    
    Test* pt = new Test;
    
    pt->initialize();
    
    printf("pt->i = %d\n", pt->getI());
    printf("pt->j = %d\n", pt->getJ());   
    
    delete pt;
    
    return 0;
}

下面为输出结果：

存在的问题

initialize 只是一个普通函数，必须显示调用
如果未调用 initialize 函数，运行结果是不确定的

下面为解决办法：

c++中可以定义与类名相同的特殊成员函数

这种特殊的成员函数叫做构造函数

构造没有任何返回类型的声明
构造函数在对象定义时自动被调用

下面来体验一下构造函数：

#include<stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI() {return i;}
        int getJ() {return j;}
        Test()
        {
            printf("Test() Begin\n");
        
            i = 1;
            j = 2;
        
            printf("Test() End\n");
        }
};
 
Test gt;
 
int main()
{
    printf("gt.i = %d\n", gt.getI());
    printf("gt.j = %d\n", gt.getJ());
    
    Test t1;
    
    printf("t1.i = %d\n", t1.getI());
    printf("t1.j = %d\n", t1.getJ());
    
    Test* pt = new Test;
    
    printf("pt->i = %d\n", pt->getI());
    printf("pt->j = %d\n", pt->getJ());   
    
    delete pt;
    
    return 0;
}

下面为输出结果：

可以看到，Test() Begin 和 Test() End 出现了三次，也就是说，Test() 这个构造函数被调用了三次，这是因为创建了三个对象。

1.3 小结

每个对象在使用之前都应该初始化
类的构造函数用于对象的初始化
构造函数与类同名并且没有返回值
构造函数在对象定义时自动被调用

二、对象的构造（中）

2.1 构造函数

带有参数的构造函数

构造函数可以根据需要定义参数
一个类中可以存在多个重载的构造函数
构造函数的重载遵循 C++ 重载的规则

如下：

友情提醒

对象定义和对象声明不同

对象定义--申请对象的空间并调用构造函数
对象声明--告诉编译器存在这样一个对象

如下：

构造函数的自动调用

如下：

下面看一段带参数的构造函数的代码：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    public:
        Test() 
        { 
            printf("Test()\n");
        }
        Test(int v) 
        { 
            printf("Test(int v), v = %d\n", v);
        }
};
 
int main()
{
    Test t;      // 调用 Test()
    Test t1(1);  // 调用 Test(int v)
    Test t2 = 2; // 调用 Test(int v)
    
    return 0;
}

下面为输出结果，和预想中的一致。

这里需要明确一个问题，int i = 1;与 int i; i = 1；的不同。前者是初始化，后者是先定义，再赋值。后者由于定义 i 时没有初始化，所以 i 的值时随机的。C语言中这两者差别很小，但是在 C++ 中两者差异很大。差别在于在 C++ 中初始化会调用构造函数。下面看一个例子，在上述代码的基础上加一行代码 t = t2;

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    public:
        Test() 
        { 
            printf("Test()\n");
        }
        Test(int v) 
        { 
            printf("Test(int v), v = %d\n", v);
        }
};
 
int main()
{
    Test t;      // 调用 Test()
    Test t1(1);  // 调用 Test(int v)
    Test t2 = 2; // 调用 Test(int v)
    
    t = t2;
    
    return 0;
}

下面为输出结果，可以看到与上面的代码输出结果一模一样。这就因为 C++ 中初始化和赋值不同，初始化会调用构造函数，赋值的时候则不用。

下面再看一个例子：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    public:
        Test() 
        { 
            printf("Test()\n");
        }
        Test(int v) 
        { 
            printf("Test(int v), v = %d\n", v);
        }
};
 
int main()
{
    Test t;      // 调用 Test()
    Test t1(1);  // 调用 Test(int v)
    Test t2 = 2; // 调用 Test(int v)
    
    int i(100);
    
    printf("i = %d\n", i);
    
    return 0;
}

下面为输出结果：

构造函数的调用

一般情况下，构造函数在对象定义时被自动调用
—些特殊情况下，需要手工调用构造函数

下面看一段构造函数手动调用的代码：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int m_value;
    public:
        Test() 
        { 
            printf("Test()\n");
        
            m_value = 0;
        }
        
        Test(int v) 
        { 
            printf("Test(int v), v = %d\n", v);
        
            m_value = v;
        }
        
        int getValue()
        {
            return m_value;
        }
};
 
int main()
{
    Test ta[3] = {Test(), Test(1), Test(2)};      
    
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        printf("ta[%d].getValue() = %d\n", i, ta[i].getValue());
    }
    
    Test t = Test(100);
    
    printf("t.getValue() = %d\n", t.getValue());
    
    return 0;
}

下面为输出结果，可以看到，Test(1)、Test(2) 和 Test(100) 均为手动调用构造函数。

2.2小实例

需求：开发一个数组类解决原生数组的安全性问题

提供函数获取数组长度
提供函数获取数组元素
提供函数设置数组元素

IntArray.h：

#ifndef _INTARRAY_H_
 
#define _INTARRAY_H_

class IntArray
 
{
    private:
        int m_length;
 
        int* m_pointer;
    public:
        IntArray(int len);
 
        int length();
 
        bool get(int index, int& value);
 
        bool set(int index ,int value);
 
        void free();
};
#endif

IntArray.cpp：

#include "IntArray.h"
 
 
 
IntArray::IntArray(int len)
 
{
 
    m_pointer = new int[len];
 
    
 
    for (int i = 0; i < len; i++)
 
    {
 
        m_pointer[i] = 0;
 
    }
 
    
 
    m_length = len;
 
}
 
 
 
int IntArray::length()
 
{
 
    return m_length;
 
}
 
 
 
bool IntArray::get(int index, int& value)
 
{
 
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
 
    
 
    if( ret )
 
    {
 
        value = m_pointer[index];
 
    }
 
    
 
    return ret;
 
}
 
 
 
bool IntArray::set(int index, int value)
 
{
 
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
 
    
 
    if( ret )
 
    {
 
        m_pointer[index] = value;
 
    }
 
    
 
    return ret;
 
}
 
 
 
void IntArray::free()
 
{
 
    delete[]m_pointer;
 
}

main.cpp：

#include <stdio.h>
 
#include "IntArray.h"
 
 
 
int main()
 
{
 
    IntArray a(5);    
 
    
 
    for (int i = 0; i < a.length(); i++)
 
    {
 
        a.set(i, i + 1);
 
    }
 
    
 
    for (int i = 0; i < a .length(); i++)
 
    {
 
        int value = 0;
 
        
 
        if( a.get(i, value) )
 
        {
 
            printf("a[%d] = %d\n", i, value);
 
        }
 
    }
 
    
 
    a.free();
 
    
 
    return 0;
 
}

下面为输出结果：

这样写出来的数组很安全，没有数组越界问题。

2.3 小结

构造函数可以根据需要定义参数
构造函数之间可以存在重载关系
构造函数遵循 C++ 中重载函数的规则
对象定义时会触发构造函数的调用
在一些情况下可以手动调用构造函数

三、对象的构造（下）

3.1 特殊的构造函数

两个特殊的构造函数

无参构造函数

没有参数的构造函数
当类中没有定义构造函数时，编译器默认提供一个无参构造函数，并且其函数体为空

拷贝构造函数

参数为 const class_name& 的构造函数
当类中没有定义拷贝构造函数时，编译器默认提供一个拷贝构造函数，简单的进行成员变量的值复制

下面看一段无参数构造函数的代码（代码3-1）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        int getJ()
        {
            return j;
        }
};
 
int main()
{
    Test t;
    
    return 0;
}

可以看到，编译通过：

创建一个类的对象必须要调用构造函数，为什么能够编译通过呢？这是因为编译器在发现我们没有定义构造函数时，会默认提供一个无参构造函数，等效如（代码3-2）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        int getJ()
        {
            return j;
        }
        Test()
        {
        }
};
 
int main()
{
    Test t;
    
    return 0;
}

小贴士：所以说，class T { }; 里面不是什么都没有，里面至少有一个无参构造函数。

下面再来看一段代码（代码3-3）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        int getJ()
        {
            return j;
        }
};
 
int main()
{
    Test t1;
    Test t2 = t1;
    
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d\n", t1.getI(), t1.getJ());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d\n", t2.getI(), t2.getJ());
    
    return 0;
}

下面为输出结果：

这里的 i 和 j 打印出来的都是随机值，这是因为类里面没有手工编写的构造函数，所以 t1 和 t2 所采用的就是编译器提供的默认无参构造函数构造的，编译器提供的无参构造函数为空，所以 i 和 j 的值就是随机的。

上述代码就相当于（代码3-4）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        int getJ()
        {
            return j;
        }
        Test(const Test& t)
        {
            i = t.i;
            j = t.j;        
        }
};
 
int main()
{
    Test t1;
    Test t2 = t1;
    
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d\n", t1.getI(), t1.getJ());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d\n", t2.getI(), t2.getJ());
    
    return 0;
}

但是编译的时候会报错：

这是因为在类里面没有编写任何构造函数时，编译器才提供默认的无参构造函数。这里手工编写了一个拷贝构造函数，编译器就不会提供默认的无参构造函数，需要自己把无参构造函数加上。

如下，自己加上无参构造函数（代码3-5）：

#include <stdio.h>
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        int getJ()
        {
            return j;
        }
        Test(const Test& t)
        {
            i = t.i;
            j = t.j;        
        }
        Test()
        {
        }
};
 
int main()
{
    Test t1;
    Test t2 = t1;
    
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d\n", t1.getI(), t1.getJ());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d\n", t2.getI(), t2.getJ());
    
    return 0;
}

这样就能编译通过了，而且效果跟代码3-3的相同：

3.2 拷贝构造函数

拷贝构造函数的意义

兼容C语言的初始化方式

初始化行为能够符合预期的逻辑

浅拷贝

拷贝后对象的物理状态相同（物理状态指的是对象占据的内存当中每个字节是否相等，如代码3-6）

深拷贝

拷贝后对象的逻辑状态相同（逻辑状态指的是指针所指向的内存空间的值是否相同，如代码3-9）

注：编译器提供的拷贝构造函数只进行浅拷贝！

下面看一段代码（代码3-6）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
        int* p;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        int getJ()
        {
            return j;
        }
        int* getP()
        {
            return p;
        }
        Test(int v)
        {
            i = 1;
            j = 2;
            p = new int;
        
            *p = v;
        }
 
};
 
int main()
{
    Test t1(3);
    Test t2 = t1;
    
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d, t1.p = %p\n", t1.getI(), t1.getJ(), t1.getP());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d, t2.p = %p\n", t2.getI(), t2.getJ(), t2.getP());
    
    return 0;
}

下面为输出结果：

这段程序的第一个问题就是 t1 和 t2 的 p 指针都指向同一个堆空间中的地址，第二个问题就是申请了内存并没有释放，会造成内存泄漏。

下面加上释放内存的代码（代码3-7）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
        int* p;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        int getJ()
        {
            return j;
        }
        int* getP()
        {
            return p;
        }
        Test(int v)
        {
            i = 1;
            j = 2;
            p = new int;
        
            *p = v;
        }
        void free()
        {
            delete p;
        }
 
};
 
int main()
{
    Test t1(3);
    Test t2 = t1;
    
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d, t1.p = %p\n", t1.getI(), t1.getJ(), t1.getP());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d, t2.p = %p\n", t2.getI(), t2.getJ(), t2.getP());
    
    t1.free();
    t2.free();
    
    return 0;
}

下面为输出结果，编译能通过，但是运行时发生了错误，释放了两次堆空间的内存：

下面为解决方法（代码3-8）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
        int* p;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        
        int getJ()
        {
            return j;
        }
        
        int* getP()
        {
            return p;
        }
        
        Test(const Test& t)
        {
            i = t.i;
            j = t.j;
            p = new int;
            
            *p = *t.p;
        }
        
        Test(int v)
        {
            i = 1;
            j = 2;
            p = new int;
        
            *p = v;
        }
        
        void free()
        {
            delete p;
        }
 
};
 
int main()
{
    Test t1(3);
    Test t2(t1);
    
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d, t1.p = %p\n", t1.getI(), t1.getJ(), t1.getP());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d, t2.p = %p\n", t2.getI(), t2.getJ(), t2.getP());
    
    t1.free();
    t2.free();
    
    return 0;
}

下面为输出结果，可以到 t1 和 t2 的 p 指针分别指向不同的堆空间地址：

如果我们看一下逻辑状态，也就是 *t1.p 和 *t2.p 的值，代码如下（代码3-9）：

#include <stdio.h>
 
class Test
{
    private:
        int i;
        int j;
        int* p;
    public:
        int getI()
        {
            return i;
        }
        
        int getJ()
        {
            return j;
        }
        
        int* getP()
        {
            return p;
        }
        
        Test(const Test& t)
        {
            i = t.i;
            j = t.j;
            p = new int;
            
            *p = *t.p;
        }
        
        Test(int v)
        {
            i = 1;
            j = 2;
            p = new int;
        
            *p = v;
        }
        
        void free()
        {
            delete p;
        }
 
};
 
int main()
{
    Test t1(3);
    Test t2(t1);
    
    printf("t1.i = %d, t1.j = %d, t1.p = %p\n", t1.getI(), t1.getJ(), t1.getP());
    printf("t2.i = %d, t2.j = %d, t2.p = %p\n", t2.getI(), t2.getJ(), t2.getP());
    
    t1.free();
    t2.free();
    
    return 0;
}

下面为输出结果，可以看到 *t1.p 和 *t2.p 的值相同，也就是说逻辑状态相同，这就叫做深拷贝。

什么时候需要进行深拷贝?

对象中有成员指代了系统中的资源

成员指向了动态内存空间
成员打开了外存中的文件
成员使用了系统中的网络端口
......

问题分析

下面就是浅拷贝：

一般性原则

自定义拷贝构造函数，必然需要实现深拷贝！！！

下面看一个使用深拷贝，对前面数组的代码进行改造。

IntArray.h:

#ifndef _INTARRAY_H_
 
#define _INTARRAY_H_
class IntArray
 
{
 
    private:
 
        int m_length;
 
        int* m_pointer;
 
    public:
 
        IntArray(int len);
 
        IntArray(const IntArray& obj);
 
        int length();
 
        bool get(int index, int& value);
 
        bool set(int index ,int value);
 
        void free();
 
};
#endif

IntArray.cpp:

#include "IntArray.h"
 
 
 
IntArray::IntArray(int len)
 
{
 
    m_pointer = new int[len];
 
    
 
    for (int i = 0; i < len; i++)
 
    {
 
        m_pointer[i] = 0;
 
    }
 
    
 
    m_length = len;
 
}
 
 
 
IntArray::IntArray(const IntArray& obj)
 
{
 
    m_length = obj.m_length;
 
    
 
    m_pointer = new int[obj.m_length];
 
    
 
    for (int i = 0; i < obj.m_length; i++)
 
    {
 
        m_pointer[i] = obj.m_pointer[i];
 
    }
 
}
 
 
 
int IntArray::length()
 
{
 
    return m_length;
 
}
 
 
 
bool IntArray::get(int index, int& value)
 
{
 
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
 
    
 
    if( ret )
 
    {
 
        value = m_pointer[index];
 
    }
 
    
 
    return ret;
 
}
 
 
 
bool IntArray::set(int index, int value)
 
{
 
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
 
    
 
    if( ret )
 
    {
 
        m_pointer[index] = value;
 
    }
 
    
 
    return ret;
 
}
 
 
 
void IntArray::free()
 
{
 
    delete[]m_pointer;
 
}

main.cpp:

#include <stdio.h>
 
#include "IntArray.h"
 
 
 
int main()
 
{
 
    IntArray a(5);    
 
    
 
    for (int i = 0; i < a.length(); i++)
 
    {
 
        a.set(i, i + 1);
 
    }
 
    
 
    for (int i = 0; i < a.length(); i++)
 
    {
 
        int value = 0;
 
        
 
        if( a.get(i, value) )
 
        {
 
            printf("a[%d] = %d\n", i, value);
 
        }
 
    }
 
    
 
    IntArray b = a;
 
    
 
    for (int i = 0; i < b.length(); i++)
 
    {
 
        int value = 0;
 
        
 
        if( b.get(i, value) )
 
        {
 
            printf("b[%d] = %d\n", i, value);
 
        }
 
    }
 
    
 
    a.free();
 
    b.free();
 
    
 
    return 0;
 
}

下面为输出结果：