C++类和内存管理【C++ primer 笔记】

2024-01-23 23:46:19

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程序构建

设计一个badstring类，它将包含一个字符串指针和一个表示字符串长度的值。

badstring.h

#include <iostream>
#ifndef BADSTRING_H_
#define BADSTRING_H_

class badstring
{
private:
    char *str;
    int len;
    static int num_strings;

public:
    badstring(const char *s);
    badstring();
    ~badstring();
    friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const badstring &st);
};
#endif

char *str使用的是字符串指针而不是char数组来表示string的内容，这意味着类申明没有为字符串本身分配内存空间。
num_strings确保每创建一个新对象，共享变量的值都+1，从而记录badstring对象的总数。另外析构函数将共享变量的值-1。

badstring.cpp

#include <cstring>
#include "badstring.h"

using std::cout;
int badstring ::num_strings = 0;

badstring::badstring(const char *s)
{
    int len = std::strlen(s);
    str = new char[len + 1];
    std::strcpy(str, s);
    num_strings++;
    cout << num_strings << ": \"" << str << "\""
         << "  object create\n";
}
badstring::badstring()
{

    int len = 4;
    str = new char[4];
    std::strcpy(str, "c++");
    num_strings++;
    cout << num_strings << ": \"" << str << "\"" << str << " default object create\n";
}
badstring::~badstring()
{
    cout << str << "  object deleted  ，";
    --num_strings;
    cout << num_strings << " words left\n";
    delete[] str;
}

std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const badstring &st)
{
    os << st.str;
    return os;
}

上面将静态成员 num_strings 的值初始化为0。
不能在类声明时初始化静态成员变量，因为声明只是描述了如何分配内存，但并没有分配内存。

main.cpp

#include <iostream>

using std::cout;
#include "badstring.h"

void callme(badstring &st1);
void callme2(badstring st2);
int main()
{

    using std::endl;
    {
        cout << "Start an inner block" << endl;
        badstring s1("I am string 1");
        badstring s2("I am strnig 2");
        badstring s3("I am string 3");
        cout << "s1:" << s1 << endl;
        cout << "s2:" << s2 << endl;
        cout << "s3:" << s3 << endl;
        callme(s1);
        cout << "s1:" << s1 << endl;
        //按值传递的对象的函数，将调用复制构造函数。
        callme2(s2);
        cout << "s2:" << s2 << endl;

        cout << "initalize one object to another\n";
        badstring s4 = s3;
        cout << "s4 :  " << s4 << endl;
        cout << "Assign one object to another :" << endl;
        badstring s5;
        s5 = s1;
        cout << "s5: " << s5 << endl;
        cout << "exiting the block..." << endl;
    }
    return 0;
}

void callme(badstring &str1)
{
    cout << "String passed by reference:  ";
    cout << "   \"" << str1 << " \"" << std::endl;
}

void callme2(badstring sb)
{
    cout << "String passed by value:\n";
    cout << "   \"" << sb << " \"" << std::endl;
}

编译和运行结果：

 ✘ wingchi  ~/Cpp/cppPrimer  g++ -c  vegnews.cpp badstring.cpp 
 wingchi@wingchi01  ~/Cpp/cppPrimer  g++ -c  vegnews.cpp badstring.cpp 
 wingchi@wingchi01  ~/Cpp/cppPrimer  g++ badstring.o vegnews.o -o main 
 wingchi@wingchi01  ~/Cpp/cppPrimer  ./main                            
Start an inner block
1: "I am string 1"  object create
2: "I am strnig 2"  object create
3: "I am string 3"  object create
s1:I am string 1
s2:I am strnig 2
s3:I am string 3
String passed by reference:     "I am string 1 "
s1:I am string 1
String passed by value:
   "I am strnig 2 "
I am strnig 2  object deleted  ，2 words left 
s2:
initalize one object to another
s4 :  I am string 3
Assign one object to another :
3: "c++"c++ default object create
s5: I am string 1
exiting the block...
I am string 1  object deleted  ，2 words left
I am string 3  object deleted  ，1 words left
����U  object deleted  ，0 words left
free(): double free detected in tcache 2
[1]    5742 abort (core dumped)  ./main

可以看到程序执行到最后崩溃了，并且在执行过程中就出现了匪夷所思的结果。

程序说明

从创建s1～s3并打印都是没有问题的，
接着调用了callme和callme2函数，前者按引用传递，后者按值传递。接下来我们出现意外的第一个结果：

String passed by value:
   "I am strnig 2 "
I am strnig 2  object deleted  ，2 words left 
s2:

string2 调用了callme2函数后，就被撤销了（执行了析构函数）

接下来，我们创建了s4，s5字符串，分别以这样的方式初始化：

        badstring s4 = s3;
        badstring s5;
        s5 = s1;

最后，我们结束函数，各个对象分别调用自己的析构函数，结果如下：

exiting the block...
I am string 1  object deleted  ，2 words left
I am string 3  object deleted  ，1 words left
����U  object deleted  ，0 words left
free(): double free detected in tcache 2

由于自动存储对象的删除和创建顺序相反，所以最先删除的是：s5（s1），s4（s3），s3
可以看到删除s5和s4都是正常的，删除s3时，就出现了异常。

结果分析

让我们从最先出现奇怪结果的代码进行分析：

 callme2(s2);
//String passed by value:
//  "I am strnig 2 "
//I am strnig 2  object deleted  ，2 words left

熟悉C语言的人应该知道，C语言中的参数，无论是传递值，还是传递地址（指针），都使用了拷贝机制。（就是将实参拷贝一份给传给函数。）

要解释这个现象，我们首先要了解C++的复制构造函数.

复制构造函数用于将一个对象复制到新创建的对象中。如果类中没有定义这个函数,将由编译器自动生成. 就是默认复制构造函数. 它用于初始化的过程。原型如下：
Class_name (const Class_name &)
badstring (const badstring &)
对于复制构造函数，要知道两点：什么时候调用和有什么作用：

何时调用：
新建一个对象并将其初始化成一个同类型的现有对象时，复制构造函数都会被调用：

假设已经有一个对象：badstring s0(“I am the original string”); 下面四种声明都有可能调用复制构造函数：

badstring s1(s0);
badstring s2 = s0 ;
badstring s3 = badstring(s0) ;
badstring *ps4 = new badstring(s0);

中间两种声明可能会使用复制构造函数创建s2和s3，也可能使用一个临时对象，然后将临时对象的内容赋值给s2和s3
最后一种声明使用s0初始化一个匿名对象，并将新对象的地址赋值给pstring指针。

每当程序产生了对象副本时，编译器都将使用复制构造函数。具体地说，当函数按值传递对象或函数返回对象时，都使用复制构造函数。

默认复制构造函数的功能
默认的复制构造函数逐个复制非静态成员，复制的是成员的值（又称浅复制），静态变量不受影响，因为它们属于整个类。

到这里，我们就知道上面调用callme2函数会导致新创建一个对象。函数退出时，这个临时对象会被销毁，也就触发了析构函数。
同时，因为默认复制构造函数是浅拷贝，它在进行复制s2的str变量时，假设有这样一个过程：

temp.str = s2.str ;

这里复制的不是字符串，而是复制指向该字符串的指针，也就是说，临时对象的str成员和s2的str成员保存了指向同一个地址的指针。当析构函数被调用时，它释放了临时变量的内存，也就释放了s2.str的内存.

说明：默认复制构造函数不说明其行为，因此它不打印创建语句，也不增加技术器strings_num的值。但析构函数更新了计数，因为任何对象都会被调用。

cout << "initalize one object to another\n";
    badstring s4 = s3;

注意上面的赋值运算,也在我们提及的4种声明之一,也就是说:这里也使用默认复制构造函数创建了一个s4对象.
记住,这种初始化语句相当于下面的语句:

badstring s4 = badstring(s3);

    cout << "Assign one object to another :" << endl;
        badstring s5;
        s5 = s1;
//Assign one object to another :
//3: "c++"c++ default object create

可以看到上面的赋值语句导致默认的构造函数被调用了,这里又是什么原因呢? 我们接下来学习另一个概念: 赋值运算符.

赋值运算符

C++允许类对象赋值，这是通过自动为类重载复制运算符实现的，这种运算符的原型是：

Class_name &Class_name::operator=(const Class_name &)

它接受并返回一个指向类对象的引用，例如，badstring类的赋值运算符如下：

badstring& badstring::operator=(const badstring &)

赋值运算符的使用：

badstring s1 ("haha I am a string") ;

badstring s2 ；

 s2 = s1 ; // assignment operator invoke

初始化对象时，不一定会使用赋值运算符

badstring s3 =s1 ; // 使用复制构造函数，也可能赋值运算符

和默认的复制构造函数一样，逐个复制非静态成员，（成员复制也称浅复制），复制的是成员的值。静态成员则不受影响，因为他们属于类。

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