C++复制控制与赋值操作深度解析：源自Effective C++第三版


# 摘要
本文系统探讨了C++中的复制控制机制，深入分析了拷贝构造函数、拷贝赋值运算符的设计原则与高级应用，并探讨了移动语义在资源管理中的重要性。文中详细阐述了拷贝构造函数在参数传递、返回值优化等方面的实现细节，并对异常安全性与资源获取即初始化（RAII）模式进行了重点介绍。此外，本文还关注了C++11及C++14对复制控制的新特性与改进，展示了如何利用新标准提升异常安全性并优化代码性能。通过对复制控制的理论与实战演练，本文旨在为C++开发者提供深入理解及正确实践复制控制的指导。

# 关键字
C++复制控制；拷贝构造函数；拷贝赋值运算符；移动语义；资源管理；异常安全性；C++11/C++14新特性

参考资源链接：[Effective_C++_3rd_Edition.pdf 英文原版](https://wenku.csdn.net/doc/6412b730be7fbd1778d4968f?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. C++复制控制的理论基础

在C++中，复制控制涉及对象间的复制、移动、赋值和销毁等操作。本章将带你深入了解复制控制的理论基础，为后续的深入探讨奠定坚实基础。

## 1.1 复制控制的意义

复制控制是面向对象编程中一个核心概念。它允许开发者精确控制对象的创建、复制、赋值以及销毁行为。正确实现复制控制是编写稳定、高效C++代码的重要一步。

class Example {
public:
    Example(const Example& other); // 拷贝构造函数
    Example& operator=(const Example& other); // 拷贝赋值运算符
    ~Example(); // 析构函数
    // ...
};

## 1.2 复制控制操作

复制控制操作包括五种特殊的成员函数：拷贝构造函数、拷贝赋值运算符、移动构造函数、移动赋值运算符和析构函数。合理运用这些操作，能够确保对象的生命周期得到妥善管理。

Example::Example(const Example& other) { /* 复制逻辑 */ }
Example& Example::operator=(const Example& other) { /* 赋值逻辑 */ }
Example::~Example() { /* 销毁逻辑 */ }

## 1.3 复制与移动语义

C++11引入了移动语义，以支持对资源的移动而非复制，特别是在处理大型对象或文件操作时，移动语义能够显著提高程序性能。

Example::Example(Example&& other) noexcept { /* 移动逻辑 */ }
Example& Example::operator=(Example&& other) noexcept { /* 移动赋值逻辑 */ }

以上概述了C++中复制控制的基础知识点，为理解接下来各章节中的高级应用和优化打下坚实基础。

# 2. 深入理解拷贝构造函数

## 2.1 拷贝构造函数的定义与作用

### 2.1.1 参数传递中的拷贝构造

在C++中，拷贝构造函数是一种特殊的构造函数，它用一个同类型的对象作为参数来初始化一个新创建的对象。拷贝构造函数的典型用途是在函数参数传递和返回对象时创建副本。

考虑下面的示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

class MyClass {
public:
    int value;

    MyClass(int val) : value(val) {
        cout << "构造函数调用，值为: " << value << endl;
    }

    // 拷贝构造函数
    MyClass(const MyClass& obj) {
        value = obj.value;
        cout << "拷贝构造函数调用，拷贝的值为: " << value << endl;
    }
};

void foo(MyClass obj) {
    // ...
}

int main() {
    MyClass a(10); // 调用构造函数
    foo(a); // 调用拷贝构造函数，创建obj的副本
    return 0;
}

在该代码中，当`main()`函数中的对象`a`被传递给函数`foo()`时，拷贝构造函数会被调用，从而创建了`a`的一个副本。尽管在这个例子中拷贝是不必要的，因为它没有在函数`foo()`中被使用，但在某些情况下，我们需要在函数中使用对象的副本。

### 2.1.2 返回值优化与拷贝省略

拷贝构造函数通常在函数返回值时调用。但是，在C++11之前，返回对象时的拷贝构造过程可以导致不必要的性能开销。C++标准允许编译器使用返回值优化（Return Value Optimization, RVO）或命名返回值优化（Named Return Value Optimization, NRVO）来避免多余的拷贝操作。

一个简单的例子：

MyClass getMyClass() {
    MyClass obj(20);
    return obj;
}

int main() {
    MyClass a = getMyClass(); // 在这里，拷贝构造函数不会被调用，因为使用了RVO优化
    return 0;
}

在上述代码中，即使返回`obj`，由于RVO优化，编译器可以优化掉拷贝构造函数的调用，直接在`a`的内存空间中构造返回对象。这样既保证了程序的逻辑正确性，又提高了性能。

## 2.2 拷贝构造函数的隐式使用场景

### 2.2.1 对象初始化时的拷贝构造

对象初始化时也会隐式使用拷贝构造函数。例如，当一个对象以值的方式传递给另一个对象时：

MyClass a(10); // 创建对象a
MyClass b = a; // b的创建使用了拷贝构造函数

这里，创建`b`时使用了拷贝构造函数，将`a`作为参数传递给`MyClass`的拷贝构造函数。

### 2.2.2 拷贝构造与动态内存管理

拷贝构造函数在涉及到动态内存分配的对象时，需要特别注意。浅拷贝（仅复制指针）可能会导致两个对象共享同一内存区域，从而引发内存泄漏或双重释放等问题。

class MyClassWithMemory {
public:
    int* ptr;

    // 拷贝构造函数
    MyClassWithMemory(const MyClassWithMemory& obj) {
        ptr = new int(*obj.ptr); // 深拷贝
        cout << "拷贝构造函数调用，值为: " << *ptr << endl;
    }

    ~MyClassWithMemory() {
        delete ptr; // 释放动态分配的内存
    }
};

在上述代码中，`MyClassWithMemory`的拷贝构造函数必须进行深拷贝，以避免多个对象指向同一内存块的问题。

## 2.3 拷贝构造函数的设计原则

### 2.3.1 深拷贝与浅拷贝的选择

在设计拷贝构造函数时，开发者必须决定是实现深拷贝还是浅拷贝。浅拷贝仅仅复制对象指针，而深拷贝复制指针所指向的数据。

- 浅拷贝适合于对象不拥有动态分配的资源的情况。
- 深拷贝适合于对象拥有动态分配的资源，例如动态数组、动态字符串等。

### 2.3.2 异常安全性与拷贝构造

拷贝构造函数需要保证异常安全性。异常安全性意味着在拷贝构造函数抛出异常时，已经分配的资源必须正确释放。

为了实现异常安全性，拷贝构造函数可以采用以下策略：

- 确保所有的资源分配操作都使用异常安全的方式来完成。
- 使用异常安全的容器类，如`std::vector`，其分配操作是异常安全的。
- 实现"拷贝并交换"惯用法，例如：

class MyClass {
private:
    MyClass* p;
public:
    // 拷贝构造函数
    MyClass(const MyClass& other) {
        p = new MyClass(*other.p);
    }
    // 其他成员函数...
};

在上面的代码中，`MyClass`拥有一个指向动态内存的指针成员`p`。拷贝构造函数使用深拷贝策略复制这个指针指向的数据。注意，异常安全性在这里是有保障的，因为如果动态内存分配失败，`new`操作将会抛出异常，而拷贝构造函数的其他部分还未执行，因此不会导致资源泄露。

# 3. 拷贝赋值运算符的高级应用

## 3.1 拷贝赋值运算符的定义与重载

### 3.1.1 赋值运算符的重载语法

在C++中，拷贝赋值运算符是用于对象之间赋值操作的成员函数。当一个对象被赋值给另一个同类型的对象时，拷贝赋值运算符将被调用。其基本语法形式为：

class_name & class_name::operator=(const class_name &other);

例如，假设我们有一个`String`类，我们可能这样实现拷贝赋值运算符：

String& String::operator=(const String &other) {
    // 防止自赋值检查
    if (this != &other) {
        // 删除当前字符串所使用的内存
        delete[] data;
        // 分配内存并复制新的字符串内容
        data = new char[other.size + 1];
        strcpy(data, other.data);
    }
    return *this; // 返回对象的引用以便链式赋值
}

在重载拷贝赋值运算符时，必须考虑到自赋值的可能性，这在文档中已经强调过。上述代码中的`if (this != &other)`确保了当对象试图赋值给自己时不会执行任何操作。这是处理自赋值的最简单和最常见的方法。此外，必须确保释放旧资源，并为新值分配和复制资源。

### 3.1.2 自赋值与异常安全性

自赋值是指一个对象被赋予它自己当前的值。在某些情况下，如重载的赋值操作符未正确处理自赋值时，可能会出现数据损坏、内存泄漏甚至程序崩溃等问题。

异常安全性是设计拷贝赋值运算符时必须考虑的一个重要方面。异常安全性保证了即使在抛出异常的情况下，程序的状态也能保持一致。实现异常安全的拷贝赋值运算符通常会遵循以下规则：

1. **基本保证**：确保程序不会崩溃，并且可以释放所有已经分配的资源。
2. **强保证**：保证赋值操作要么完全成功，要么对对象没有影响（即处于原始状态）。
3. **不抛出保证**：如果操作可能抛出异常，则应确保提供一个不会抛出异常的备选路径。

String& String::operator=(String other) { // 注意使用值传递
    swap(other);
    return *this;
}