[剑指offer]01-赋值运算符函数

在面向对象C++语言中,用户定义一个类时,会默认生成四个成员函数:默认构造函数、默认析构函数、默认复制构造函数和默认赋值函数。当类中定义有指针时,默认的复制构造函数和赋值函数将不能按照预期工作,因为调用默认的这两个函数时,只是将指针指向复制的对象或赋值的对象,并没有真正的分配内存空间,将相应对象的内容赋给自身,形成多个指针指向同一块内存,而这块内存可由任一方释放,导致其它对象内的指针成为野指针。所以,当类中定义有指针时,应重写默认复制构造函数和赋值函数。

class CMyString {
public:
    CMyString(char* pData = NULL);
    //考察点1:复制构造函数、赋值函数的形参为常量引用
    //复制构造函数
    CMyString(const CMyString& str);
    //赋值运算符函数
    CMyString& operator =(const CMyString& str);
    ~CMyString(void);
private:
    char* m_pData;
};

初级C++程序员

考察点1:复制构造函数、赋值函数的形参为常量引用

首先看下复制构造函数的使用场景:

  1. 声明一个对象时,用另一个同类型的对象对其做初始化,如下两种方式都会调用默认复制构造函数;
class C
{
    //...
};

C a;
C b(a);
C c = a;
  1. 函数参数传递采用按值传递的方式,自身对象需转化为函数中的实参在函数中使用;
  2. 函数返回值若是按值返回,也会调用复制构造函数,因为函数内部的对象作用域只限于函数内部,返回“值”时,编译器将建立函数内部对象的临时拷贝,也会调用对象的复制构造函数;

如果复制构造函数自己的形参采用“按值传递”的方式,通过复制构造函数的使用场景1,可以知道这样将会一直不断地调用复制构造函数;如果赋值函数的形参采用“按值传递”的方式,在赋值时,又会调用复制构造函数,产生临时对象,这是不必要的。所以,复制构造函数、赋值函数的形参都采用“按引用传递”(为何不是“按指针传递”?)。
复制构造函数和赋值函数的形参采用const修饰符,一方面是考虑到复制和赋值都不会改变形参,加上const,使得函数内部不能修改形参;另一方面,形如下面的情况,操作符“+”必须返回一个操作值已知的对象(摘自《程序员面试宝典》<第10章 面向对象>第125页 上)。

C a;
C b;
C c;
c = a+b;

考察点2:赋值函数的返回值为类型引用

赋值函数的返回值为类型的引用时,才允许“连续赋值”;否则,如果赋值函数返回其它类型,比如void时,连续赋值将不能通过编译。

考察点3:释放对象自身已有的内存资源

赋值函数的使用场景不同于复制构造函数,复制构造函数是为了给新创建的对象初始化,此时对象内部的指针成员尚未指向具体的合法内存;但赋值函数不同,赋值之前,对象自身内部的成员可能已经有了合法的指向,所以,如果在真正的分配空间、赋值之前,不将已有的内存释放掉而直接指向新内存,将会造成内存泄漏。

考察点4:判断传入的引用参数不是自身

如果传入到赋值函数中的形参是对象自身的引用,就不必再进行“赋值操作”;不然,在释放实例自身的内存时就会导致问题:释放掉this对象的成员指向的内存时,传入的自身引用的成员内存也被释放了,无法执行赋值操作。

CMyString& CMyString::operator =(const CMyString& str)
{
    //考察点2:赋值函数的返回值为类型引用
    if(this == &str)
    {
        return *this;
    }

    //考察点3:释放对象自身已有的内存资源
    if(this->m_pData != NULL)
    {
        delete[] this->m_pData;
        this->m_pData = NULL;
    }
    //考察点4:判断传入的引用参数不是自身
    this->m_pData = new char[strlen(str.m_pData)+1];
    strcpy(this->m_pData, str.m_pData);

    return *this;
}

高级C++程序员

上面的解法没有考虑到在复制构造函数内部或赋值函数内部发生异常的情况。如果在构造函数内部发生异常,析构函数是不会被调用的,因为对象的构造是不可分割的,要么完全成功,要么完全失败;即使构造函数执行完毕,也不能保证对象构造完成,因为派生对象构造时,会首先调用基类的构造函数,当基类的构造函数执行完毕时,派生类对象尚未构造成功。构造函数内部发生异常时,对于成员变量,C++会从异常的发生点按照成员变量的初始化的逆序释放成员;而对于在构造函数内部发生的未捕捉的异常,将会在栈开解时析构所有的数据成员。构造函数内部发生异常,将由编译器解决。

对于赋值函数,需要先释放对象自身指针成员的内存,再申请新的内存,如果在分配内存时由于内存不足导致new操作抛出异常,对象自身指针成员将为NULL,对象自身将不再保持有效的状态,这就违背了异常安全性(Exception Safety)原则。

要在赋值运算符函数中实现异常安全性,通常有两种做法:一种是先用new分配新的内存,再释放指针成员之前指向的内存,也就是在新内存分配成功之后再释放之前的内存,这样就能保证当分配内存失败是,对象自身不会被修改,其仍是有效对象;另一种更好的办法是先创建一个临时对象,再交换临时对象和原来的对象,当赋值函数退出时,原本属于左值对象的内存,将由临时对象管理,临时对象析构时,将会自动释放掉这部分内存。

CMyString& CMyString::operator =(const CMyString& str)
{
    if(this != &str)
    {
        CMyString tempStr = str;

        char* temp = tempStr.m_pData;
        tempStr.m_pData = this->m_pData;
        this->m_pData = temp;
    }

    return *this;
}
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