Effective C++ —— 构造/析构/赋值运算（二）

2023-01-28 09:27:18

条款05 ：了解C++默默编写并调用哪些函数

　　编译器可以暗自为class创建default构造函数、copy构造函数、copy assignment操作符，以及析构函数。

　　1. default构造函数和析构函数：主要是给编译器一个地方用来放置“藏身幕后”的代码，像是调用base classes和non-static成员变量的构造和析构函数；当我们显式声明了一个构造函数，编译器于是不再为我们的类创建default构造函数。

　　2. 如果你打算在一个“内含reference成员”的class内支持赋值操作，则必须自己定义copy assignment操作符。面对“内含const成员”的classes，编译器的反应也是一样的,面对"内含const成员"的classes,更改const成员是不合法的,所以编译器不知道如何在它自己生成的赋值函数面对它们。

　　3. 如果某个base classes将copy assignment操作符声明为private，编译器将拒绝为其derived classes生成一个copy assignment操作符。因为：derived classes 所生成的copy assignment操作符需要处理base class成分，但它们却无法调用base class 的copy assignment操作符。(其他的default构造函数，copy构造函数以及析构函数也一样。这也是下一个条款所描述的“若不想使用编译器自动生成的函数，就该明确拒绝”的其中一种实现方法：通过在base class中显式(编译器不再自动生成)的将构造函数等放置在private(阻止人们调用它)下，阻止编译器自动生成。)

故而：

　　编译器可以暗自为class创建default构造函数、copy构造函数、copy assignment操作符，以及析构函数。

条款06 ：若不想使用编译器自动生成的函数，就该明确拒绝

　　1. 所有编译器产出的函数都是public。为了阻止这些函数被创建出来，你得自己声明它们，但这里并没有什么需求使你必须将它们声明为public。因此你可以将copy构造函数或copy assignment操作符声明为private。藉由明确声明一个成员函数，你阻止了编译器自创建其专属版本；而令这些函数为private，使你得以成功阻止人们调用它。但这有时还不够，因为member函数和friend函数还是可以调用你的private函数。除非你够聪明，不去定义它们，那么如果某些人不慎调用任何一个，会获得一个连接错误。“将成员函数声明为private而且故意不实现它们”可以被很好的用来阻止copying行为(copy构造函数和copy assignment操作符)。如下：

class HomeForSale{

public:

    ......

private:

    ......

    HomeForSale(const HomeForSale&);      //只有声明

    HomeForSale& operator=(const HomeForSale&);

};

　　2. 将连接期错误移至编译期是可能的(而且那是好事，毕竟越早侦测出错误越好)。如下：

class Uncopyable{

protected:

    Uncopyable() {}        //允许derived对象构造和析构

    ~Uncopyable()  {}

private:

    Uncopyable(const Uncopyable&);       //但阻止copying

    Uncopyable& operator=(const Uncopyable&);

};

为了阻止HomeForSale对象被拷贝，我们唯一需要做的就是继承Uncopyable：

class HomeForSale:private Uncopyable{

   .......        // class 不再声明copying函数

};

只要任何人——甚至是member函数或friend函数——尝试拷贝HomeForSale对象，编译器便试着生成copying函数，而正如条款12所说，这些函数的“编译器生成版”会尝试调用其base class的对应兄弟，那些调用会被编译器拒绝，因为其base class的拷贝函数式private。

故而：
　　为驳回编译器自动（暗自）提供的机能，可将相应的成员函数声明为private并且不予实现。使用像Uncopyable这样的base class 也是一种做法。

条款07 ：为多态基类声明virtual析构函数

　　1. C++指出：当derived class 对象经由一个base class 指针被删除，而该base class带着一个non-virtual析构函数，其结果未有定义——实际执行时通常发生的是对象的derived成分没被销毁，而其base class成分通常会被销毁，于是造成一个诡异的“局部销毁”对象。

　　解决方案：给base class一个virtual析构函数。任何class只要带有virtual函数（多态）都几乎确定应该也有一个virtual析构函数。

　　如果class不含virtual函数，通常表示它并不意图被用做一个base class，当class不企图被当作base class，令其析构函数为virtual往往是个馊主意。原因在于：欲实现virtual函数，对象必须携带某些信息，主要用来在运行期决定哪一个virtual函数该被调用。这份信息通常是由一个所谓vptr(virtual table pointer)指针指出。vptr指向一个由函数指针构成的数组，称为vtbl(virtual table);每一个带有virtual函数的class都有一个相应的vtbl。当对象调用某一virtual函数，实际被调用的函数取决于该对象的vptr所指的那个vtbl——编译器在其中寻找适当的函数指针。这导致对象的体积增加，并且移植性变差。

　　2. 很多人的心得是：只有当class内含至少一个virtual函数，才为它声明virtual析构函数。然而，即使class完全不带virtual函数，被“non-virtual析构函数问题”给咬伤还是有可能。如下：

class SpecialString:public std::string { // 馊主意。std::string有个non-virtual析构函数

    ......

};

请考虑下面代码：

SpecialString* pss = new SpecialString("Impending Doom");

std::string * ps;

....

ps = pss;     //SpecialString* =>std::string*

...

delete ps;     // 未有定义，现实中*ps的SpecialString资源会泄露，因为SpecialString析构函数没被调用

注意：相同的分析使用与任何不带virtual析构函数的class，包括所有的STL容器如vector，list，set，tr1::unordered_map(条款54)等等。记住：不要企图继承一个标准容器或任何其他”带有non-virtual析构函数“的class。
　　3. 由于抽象class(不能被实体化的class，也即不能构造出对象)总是企图被当作一个base class来用，而又由于base class应该有个virtual析构函数，并且由于pure virtual函数（纯虚函数）会导致抽象class，因此：为你希望它成为抽象的那个class 声明一个pure virtual析构函数。如下：

class AWOV {

public:

    virtual ~AWOV () = ;      // 声明pure virtual析构函数

};

AWOV :: ~AWOV () { }    // pure virtual析构函数定义

　　注意：必须为这个pure virtual析构函数提供一份定义。析构函数的运作方式是，最深层派生的那个class其析构函数最先被调用（与构造函数的调用顺序相反），然后是其每一个base class的析构函数被调用。编译器会在AWOV的derived classes的析构函数中创建一个对~AWOV的调用动作(详见条款05-1)，所以你必须为这个函数提供一份定义。否则编译器会报错。
故而：

　　1. polymorphic(带多态性质的)base classes应该声明一个virtual析构函数。如果class带有任何virtual函数，它就应该拥有一个virtual析构函数。

　　2. Classes的设计目的如果不是作为base class使用，或不是为了具备多态性(如条款06-2中的基类Uncopyable)，就不该声明virtual析构函数。

条款08：别让异常逃离析构函数

　　首先考虑以下代码：

class DBConnection {

public:

    ...

    static DBConnection create();    // 这个函数返回DBConnection 对象

    void close();    //关闭联机；失败则抛出异常。

};

class DBConn {   // 这个class用来管理DBConnection 对象

public:

     ....

     ~DBConn()     // 确保数据库连接总是会被关闭

      {

           db.close();

       }

private:

     DBConnection db;

};

只要调用close成功，一切都美好。但如果该调用导致异常，DBConn析构函数会传播该异常，也就是允许它离开这个析构函数。那会造成问题，因为那就是抛出了难以驾驭的麻烦。有两个方法可以避免这一问题：

　　1. 如果close抛出异常就结束程序。通常通过调用abort完成。

DBConn::~DBConn()

{

    try { db.close(); }

    catch( ... ){

         // 日志

         std::abort();

    }

}

　　2. 吞下因调用close而发生的异常。

DBConn::~DBConn()

{

    try { db.close(); }

    catch( ... ){

         // 日志

    }

}

然而，上面两种方法都不尽如人意，因为它们都无法对“导致close抛出异常”的情况做出反应。一个较佳策略如下：

class DBConn {

public:

   .....

   void close()        //供客户使用的新函数

   {

       db.close();

       closed = true;

    }

    ~DBConn()

    {

       if (!closed) {

            try { db.close(); }

            catch( ... ){

                   // 日志

                   ....

                }

         }

    }

private:

    DBConnection db;

    bool closed;

};

注意：这个在DBConn类中提供一个供客户使用的新函数，如果客户不调用，那么才会在析构函数中调用DBConnection的close函数关闭联机。这就给了客户一个处理相应异常的机会，并且在析构函数中做了双重保险。

　　如果某个操作可能在失败时抛出异常，而又存在某种需要必须处理该异常，那么这个异常必须来自析构函数以外的某个函数。因为析构函数吐出异常就是危险，总会带来“过早结束程序”或“发生不明确行为”的风险。

故而：

　　1. 析构函数绝对不要吐出异常。如果一个被析构函数调用的函数可能抛出异常，析构函数应该捕捉任何异常，然后吞下它们(不传播)或结束程序。

　　 2. 如果客户需要对某个操作函数运行期间抛出的异常做出反应，那么class应该提供一个普通函数(而非在析构函数中)执行该操作。

条款09：绝不在构造和析构过程中调用virtual函数

　　首先考虑以下代码：

class Transaction {

public:

     Transaction ();

     virtual void logTransaction () const = ;     //做出一份因类型不同而不同的日志

     ......

};

Transaction::Transaction ()

{

     ......

     logTransaction ();

}

class BuyTransaction :public Transaction {

public:

     virtual void logTransaction () const;

     ....

};

class SellTransaction :public Transaction {

public:

     virtual void logTransaction () const;

     ....

};

------------------------------------------------

//考虑下面语句

BuyTransaction b;

　　无疑地会有一个BuyTransaction构造函数被调用，但首先Transaction构造函数一定会更早被调用；是的，derived class对象内的base class成分会在derived class 自身成分被构造之前先构造妥当。
　　问题在于：Transaction构造函数最后调用了logTransaction是Transaction内的版本，不是BuyTransaction内的版本——即使目前即将建立的对象类型是BuyTransaction。是的，base class构造期间virtual函数绝不会下降到derived classes阶层 --> (理由)由于base class 构造函数的执行更早于derived class构造函数，当base class构造函数执行时derived class的成员变量尚未初始化。如果此期间调用的virtual函数下降至derived class阶层，要知道derived class 的函数几乎必然取用local成员变量，而那些成员变量尚未初始化。这将是一张通往不明确行为和彻夜调试大会的车票。 --> (更根本的原因)在derived class 对象的base class构造期间，对象的类型是base class而不是derived class。不只virtual函数会被编译器解析至base class ，若使用运行期类型信息，也会把对象视为base class 类型。这样的处理是合理的：derived class的专属成分尚未被初始化，所以面对它们，最安全的做法就是视它们不存在。对象在derived class构造函数开始执行前不会成为一个derived class对象。

　　相同的道理也适用于析构函数。一旦derived class析构函数开始执行，对象内的derived class成员变量便呈现未定义值，所以C++视它们仿佛不再存在。进入base class析构函数后对象就成为一个base class对象，而此时，C++的任何部分包括virtual函数、dynamic_casts等等也就那么看待它。

　　解决方案：在base class 内将virtual函数改为non-virtual，然后要求derived class构造函数传递必要信息给base class构造函数，而后base class 构造函数就可以安全的调用non-virtual函数了。如下：

class Transaction {

public:

     explicit Transaction (const std::string& logInfo);   //单参数构造函数，最好使用explicit禁止其进行隐式类型转换

     void logTransaction (const std::string& logInfo) const;     //non-virtual函数

     ......

};

Transaction::Transaction (const std::string& logInfo)

{

     ......

     logTransaction (logInfo);  //non-virtual调用

}

class BuyTransaction :public Transaction {

public:

    BuyTransaction(parameters)

    :Transaction(createLogString(parameters))  // 将log信息传给base class 构造函数

    {   .....   }

     ....

private:

     static std::string createLogString(parameters);  //   函数为static

};

注意：比起成员初值列内给予base class所需数据，利用辅助函数创建一个值传给base class构造函数往往比较方便(也比较可读)。
令此函数为static，也就不可能意外指向"初期未成熟之derived class对象内尚未初始化的成员变量"。可以参考Effective C++ —— 让自己习惯C++（一）条款04 和 C++类中的static数据成员，static成员函数

故而：

　　在构造和析构期间不要调用virtual函数，因为这类调用从不下降至derived class(比起当前执行构造函数和析构函数的那层)。这就是所谓的：virtual函数在构造/析构期间的“失常表现”，也即，在此期间，virtual函数不是virtual函数。

条款10：令operator=返回一个reference to *this.

　　关于赋值，你可以写下如下语句：

int x, y, z;

x = y = z = ;    // 赋值连锁形式

// 赋值采用右结合律，所以上述连锁赋值被解析为：

x = (y = (z = ));

这里15先被赋值给z，然后其结果（更新后的z）再被赋值给y,然后其结果（更新后的y）再被赋值给x。
为了实现“连锁赋值”，赋值操作符必须返回一个reference指向操作符的左侧。

故而：

　　令赋值操作符返回一个reference to *this.

条款11：在operator=中处理“自我赋值”

　　“自我赋值”发生在对象被赋值给自己时。考虑以下代码：

class Bitmap { ... }

class Widget{

    ....

private:

    Bitmap *pb;   //指针，指向一个从heap分配而得的对象

};

--------------------Method1 不具备“自我赋值安全性”、不具备“异常安全性”----------------------------------------------------------

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)     //一份不安全的operator=实现版本

{

     delete pb;    // 停止使用当前的bitmap

     pb = new Bitmap(*rhs.pb);   // 使用rhs's bitmap的副本

     return *this;

}

--------------------Method2 具备“自我赋值安全性”、不具备“异常安全性”----------------------------------------------------------

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)     //

{

 　　 // 赋值之前会先释放自身的内容,如果是自己，数据就丢失了
     if (this == &rhs) return *this;   //证同测试，自我赋值安全性

     delete pb;    // 停止使用当前的bitmap

     pb = new Bitmap(*rhs.pb);   // 申请内存失败，此时pb已被删除，导致异常

     return *this;

}

--------------------Method3 具备“自我赋值安全性”、具备“异常安全性”----------------------------------------------------------

// 让operator=具备“异常安全性”往往自动获得“自我赋值安全性”的回报，只需注意在复制pb所指东西之前别删除pb：

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)     //

{

     Bitmap* pOrig = pb;   // 记住原先的pb

     pb = new Bitmap(*rhs.pb);   // 若申请内存失败，原先的pb此时仍未被删除（保持原状），不导致异常；new分配失败时，会抛出异常跳过后面的代码
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　若成功，皆大欢喜，pb指向新的内容，后面pOrig正常删除原来数据；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　若成功，但是是自我赋值，那么由于此时pb所指的内容还未被删除，pb指向自己的一个副本（新的内容），之后才删除原来的内容，不会导致自我赋值时数据丢失的可能
     delete pOrig;    // 删除原先的pb，在赋值之后删除
     return *this;

}

--------------------Method4 具备“自我赋值安全性”、具备“异常安全性”----------------------------------------------------------

// copy and swap技术（条款29）

class Widget{

    ....

    void swap(Widget& rhs);    //交换*this和rhs的数据（见条款29）

    ....

};

Widget& Widget::operator=(const Widget& rhs)     //

{

     Widget temp(rhs);    //为rhs数据制作一份复本

     swap(temp);    //将*this数据和上述复件的数据交换

     return *this;

}

--------------------Method5 具备“自我赋值安全性”、具备“异常安全性”----------------------------------------------------------

// (1) 某class的copy assignment操作符可能被声明为“以by value方式接受实参”；

// (2) 以by value方式传递东西会造成一份复件；

Widget& Widget::operator=(Widget rhs)     //rhs是被传对象的一份复件，注意这里是pass by value

{

     swap(ths);    //将*this数据和上述复件的数据交换

     return *this;

}

故而：

　　1. 确保当对象自我赋值时operator= 有良好行为。其中技术包括比较“来源对象”和“目标对象”的地址、精心周到的语句顺序、以及copy-and-swap。

　　2. 确定任何函数如果操作一个以上的对象，而其中多个对象是同一个对象时，其行为仍然正确。

条款12：复制对象时勿忘其每一个成分

　　设计良好之面向对象系统会将对象的内部封装起来，只留两个函数负责对象拷贝，那便是带着适切名称的copy构造函数和copy assignment操作符，也即所谓的copying函数。

　　考虑以下代码：

class Date { ... };

class Customer {

public:

     .....

private:

     std::string name;

     Date lastTransaction;

};

class PriorityCustomer:public Customer {

public:

    .....

    PriorityCustomer(const PriorityCustomer& rhs);

    PriorityCustomer& operator=(const PriorityCustomer& rhs);

    ....

private:

    int priority;

};

PriorityCustomer::PriorityCustomer(const PriorityCustomer& rhs):priority(rhs.priority)

{

      logCall("PriorityCustomer copy constructor");

}

PriorityCustomer& PriorityCustomer::operator=(const PriorityCustomer& rhs)

{

      logCall("PriorityCustomer copy assignment operator");

      priority = rhs.priority;

      return *this;    // 条款10

}

　　PriorityCustomer的copying函数看起来好像复制了PriorityCustomer内的每一样东西，但注意，它们复制了PriorityCustomer声明的成员变量，但每个PriorityCustomer还内含它所继承的Customer成员变量复件，而那些成员变量却未被复制。PriorityCustomer的copy构造函数并没有指定实参传给其base class构造函数（也就是说它在它的成员初值列中没有提到Customer），因此PriorityCustomer对象的Customer成分会被不带实参之Customer构造函数(即default构造函数——必定有一个否则无法通过编译)初始化。default构造函数将针对name和lastTransaction执行缺省的初始化动作。

　　以上事态在PriorityCustomer的copy assignment操作符身上只有轻微不同。

　　所以，任何时候，只要你决定自己承担起“为derived class撰写copying函数”的重责大任，就必须很小心地复制其base class成分。那些成分往往是private（条款22），所以你无法直接访问它们，你应该让derived class的copying函数调用相应的base class 函数。如下：

PriorityCustomer::PriorityCustomer(const PriorityCustomer& rhs)

:Customer(rhs),  // 调用base class 的copy构造函数

  priority(rhs.priority)

{

      logCall("PriorityCustomer copy constructor");

}

PriorityCustomer& PriorityCustomer::operator=(const PriorityCustomer& rhs)

{

      logCall("PriorityCustomer copy assignment operator");

      Customer::operator=(rhs);   // 对base class成分进行赋值动作

      priority = rhs.priority;

      return *this;    // 条款10

}

　　注意：虽然两个copying函数往往有相似的实现本体，但却不能互为调用。令copy assignment操作符调用copy构造函数是不合理的，因为这就像试图构造一个已经存在的对象。相反，令copy构造函数调用copy assignment操作符同样无意义，构造函数用来初始化新对象，而assignment操作符只施行于已初始化对象身上，对一个尚未构造好的对象赋值，就像在一个尚未初始化的对象身上做“只对已初始化对象才有意义”的事一样。无聊嘛，别尝试。

故而：

　　1. Copying函数应该确保复制“对象内的所有成员变量”及“所有base class成分”。

　　2. 不要尝试以某个copying函数实现另一个copying函数。应该将共同机能放进第三个函数中，并由两个copying函数共同调用。

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