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The Semantics of Constructors

The Semantics of Constructors

  • explicit的意义是让程序员能制止”单一参数的constructor”被当作conversion运算符

default constructor

  • default constructor只有在被编译器需要时，才会被合成出来，且合成出的constructor只执行编译器所需要的行动(并不对成员初始化)

含有default constructor的member class object

  • 在c++各个不同的编译模块（文件）中，编译器将合成的default constructor、copy constructor、destructor、assignment copy operator都用inline方式完成来避免合成多个default constructor
  • 若一个class没有任何constructor，而其内含的member object有default constructor，编译器则需要为此class合成default constructor
//B内含A
class A {
    public:
    	A();
    	A(int);
    ...
}

class B{
    public:
    B a;
    char* str;
}

//由于A有default constructor,而B内含A且B没有任何constructor,因此编译器需要为B合成一个default constructor,让其来调用A的default constructor处理B::a

//此处B中被合成的default constructor样子
inline
B::B()
{
    a.A::A();
}

  • 若class B中内含有一个及以上的member class objects，那么class B中的每一个constructor必须调用每一个member class的default constructor；如果是多个，编译器安插代码，会按照member objects在class中声明顺序来调用对应的constructor。因此，编译器会扩张已存在的constructor，在其中安插必要代码，使其先调用member class的default constructor

    //若我们为B写一个default constructor让其初始化str
B::B() { str = 0; };

//此时会出现一个问题，那就是B中已经存在一个我们写的default constructor,编译器不能为其再合成一个,那么我们便没法调用a的constructor。
//此时，编译器会扩张已存在的constructor，在其中安插必要代码，使其先调用member class的default constructor

//扩张后的B的default constructor内部结构
B::B()
{
    a.A::A();
    str = 0;
}

含有default constructor 的 base class

  • 一个没有任何constructor的class派生自含有default constructor的base class，编译器会调用上层的default constructor，为derived class合成default constructor；若base class含有许多constructors，但没有default constructor，编译器会扩张每一个constructor，安插必要代码，以此调用必要的default constructor。因为存在其他constructors，并不会合成default constructor

含有virtual functions的 class

class A
{
    public:
    	virtual void do() = 0;
}

void do( const A& a ) { a.do(); };

void act()
{
    //B和C派生自A
    B b;
    C c;
    
    do( b );
    do( c );
}

  • 此时编译器会产生两个扩张行为：

    • virtual function table被编译器产出，其中存放virtual functions地址
    • 每一个class object中，vptr会被编译器合成，内含与之相关的vtbl地址

  • 并且，a.do()的virtual invocation会被改写

    //原本a.do()
( *a.vptr[1] )( &a )
    • 1表示do()在vtbl中的固定索引
    • &a表示交给被调用的do()实例的this指针

  • 为了让以上机制发挥效果，编译器必须为base和其derived class object的vpty设定初值，指向相关的virtual table地址。这样的任务会交给constructor做扩张

含有virtual base class的class

  • 由于在编译期时，virtual base class在每一个derived class object内存布局中位置不能够确定，因此编译器需要合成default constructor，在derived class object中的每一个virtual base classes中安插一个指针，以此确定其位置

copy constructor

default memberwise initialization

  • 以下三种情况会以一个object的内容作为另一个class object的初值：

    • 显示地以一个object内容作为另一个class object的初值

    • object被当做参数传给某函数

    • 函数传回class object

      //第一种
class A {...};
A a;

A aa = a;

//第二种
void do1( A a );

void do2()
{
    A aa;
    
    foo(aa);
}

//第三种
A do3()
{
    A a;
    return a;
}

  • 若一个class object没有explict copy constructor，而当class object以相同的class的另一个object作为初值时，此class object内部会把每一个内部或derived的data member的值，从另一个object拷贝一份到自己这，再以递归的方式进行memberwise initialization，但它并不拷贝member class object

  • memberwise initialization这一机制由bitwise copy semantics和default copy constructor实现，当class不展现bitwise copy semantics，编译器才会合成default copy constructor

  • 位拷贝（浅拷贝/bitwise copy semantics）：编译器只是直接将data member的值或指针的值拷贝过来，并不拷贝member class object；也就是说这会导致多个指针指向同一对象

不展现bitwise copy semantics

  • 以下四种情况不会展现bitwise copy semantics：
    • class内含member object，而后者的class声明了copy constructor
    • class继承自base class，而base class声明了copy constructor
    • class声明一个及以上virtual functions
    • class派生自一个继承串链，其中含有一个及以上virtual base classes

对于第一、第二种情况

  • 若class展现了bitwise copy semantics且该class并没有explict copy constructor，此时编译器不会合成copy constructor

    //以下这种情况，因为展现出了bitwise copy semantics，因此编译器并不会合成copy constructor
class A
{
    public:
    ...//不包含explict copy constructor
    A(const char*);
    ~A();
        
    private:
    	int val;
    	char* str;
}

A a("example")
void do()
{
    A aa = a;
}

//以下这种情况，因为biewise copy semantics无法调用内部class object的copy constructor，因此编译器需要合成一个copy constructor来调用
class A
{
    public:
    	A(const String&);
    	~A();
    
    private:
    	int val;
    	String str;
}

class String
{
    public:
    	String(const char*);
    	String(const String&);
    	~String();
}

对于第三、第四种情况

  • 对于声明了virtual functions的class，编译器都会在编译器为其进行扩张，分别生成一个vptr和一个vtbl。此时用一个新的class类型object赋值给前一个class，bitwise copy semantics不在起作用，不然编译器设定的vptr并不是正确的，此时编译器需要合成default copy constructor。然而，对于一样的class object，bitwise copy semantics依然生效（除开pointer member）

    //以下这种情况bitwise copy semantics依然生效，两个class AA实例的vptr将指向同一vtbl
class A
{
public:
    A();
    ~A();
    virtual void do1();
private:
    //需要的变量
}

class AA : public A
{
public:
    AA();
    void do1() override; 
    virtual do2();
private:
    //需要的变量
}

void test()
{
    AA aa;
    AA aa1 = aa;
}

//以下这种情况，两个类型的class object的vptr将指向各自相关的vtbl
A a = aa;

  • 一个class object如果以另一个含有virtual base class subobject作为初值，bitwise copy semantics会失效，因为virtual base class subobject的位置不确定，bitwise copy semantics会破坏这个位置，维护这个位置由编译器完成，因此需要由编译器合成default copyconstructor做出应对行为

program transformation semantics

explict initialization

​ 有这样一段代码：

class X{...};	//定义了copy constructor

X x;

void do()
{
    X x1(x);
    X x2 = x;
    X x3 = X(x);
}

  • 上面的初始化操作将进行两个必要的可能的程序转化：

    • 重写每一个定义(占用内存)，初始化操作剥除
    • 安插class的copy constructor
    //转化后
//可能的转换，不同编译器进行的事儿不同
void do()
{
    X x1;
    X x2;
    X x3;
    
    x1.X::X(x);
    x2.X::X(x);
    x3.X::X(x);
}

argument initialization

void do( X x );

X x1;
do(x1);

  • 以上代码进行argument initialization，函数会让local instance x 用memberwise将x1当作初值

  • 而对于不同的编译器，这一过程有不同的实现方法：

    • 导入临时object，调用copy constructor：

      //需要更改argument，不然需要多进行一次bitwise
void do( X& x );

//编译器产生的临时object
X _tempx;	
_tempx.X::X(x1);
do( _tempx );

return value initialization

X do()
{
    X xx;
    ...
    return xx;
}

  • 对于以上函数的返回值object，采用两步将局部对象xx拷贝而来：

    • 为函数加一个一个class object 的reference的额外参数，用来放置copy construct的返回值

    • 在return前安插copy constructor调用操作，将传回的object的内容作新增参数的初值

    • 这种方法又被称为named return value(NRV)优化

      void do( X& _result )
{
    X xx;
    
    xx.X::X();
    
    _result.X::X( xx );
    
    return;
}

//do()的操作调用也随之改变
X x1 = do();
//转为
X x1;
do(x1);

  • NRV优化的缺点：

    • 优化由编译器进行，因此这种优化是否完成，我们并不知道
    • 随着函数变得越来越复杂，优化会越来越难施行

是否需要copy constructor?

  • 对于没有member或base class objects带有copy constructor，以及没有virtual base class 或 virtual function的class，并不需要copy constructor，此时memberwise即可满足要求，效率即可也安全，并不会导致memory leak，也没有address aliasing。再者，对于这类class，使用memcpy()会更有效率

    class point3d
{
    public:
    	point3d( float x, float y, float z );
    
    private:
    	float _x, _y, _z;
}

//此时class的copy constructor这样执行更有效率
point3d::point3d( const point3d& rhs )
{
    memcpy( this, &rhs, sizeof(point3d) );
};

member initialization list

  • member initialization list不是一组函数调用，编译器安照member在class中的声明顺序一一操作member initialization list，且在任何二user code前，以适当顺序在constructor中安插初始化操作

  • 对于以下四种情况，为保证程序顺利编译，必须使用member initialization list：

    • 初始化reference member
    • 初始化const member
    • 调用base class 的constructor，而它含有一组参数
    • 调用member class的constructor，而它含有一组参数

  • 以下情况编译可以通过，但效率并不高

class A()
{
    String _name;
    int _value;
 	
public:
    A()
    {
        _name = 0;
        _value = 0;
    }
}

//此时A constructor会产生一个临时object，再将其初始化，随后以assignment运算符将临时Object传递给_name，最后摧毁临时object
//以下是扩张
A::A()
{
    _name.String::String();
    
    String temp = String(0);
    
    //memberwise拷贝
    _name.String::operator=(temp);
    
    temp.String::~String();
    
    _value = 0;
}

  • 对此进行修改

    //运用member initialization list
A::A : _name(0)
{
    _cnt = 0;
}

//如下扩张
A::A()
{
    _name.String::String(0);
    _value = 0;
}

  • 若不注意初始化顺序和member initialization list的排列顺序，可能会出现以下错误：

    class B
{
    int i;
    int j;
public:
    B(int val) : j(val), i(j)
    {
        
    }
};

//执行顺序 i = j; j = val;

  • 以上程序改善：将一个member的初始化操作放在constructor

    B::B(int val) : j(val)
{
    i = j;
}

  • 对于member function，请不要使用member initialization list将member function作为另一个对象的初值，因为并不知道member function对class object依赖性，因此需要将其放于constructor

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