【基础知识】C++的几种构造函数

构造函数是C++面向对象编程的基石，理解它们对于编写健壮、高效的代码至关重要。

什么是构造函数？

构造函数是一个特殊的成员函数，它在创建对象时自动调用，用于初始化对象的内存状态。它的名称与类名完全相同，并且没有返回类型（连void都没有）。

构造函数的核心特点：

1. 与类同名
2. 无返回类型
3. 自动调用（无法手动调用）
4. 通常被声明为public（除非有特殊设计，如单例模式）
5. 可以重载（一个类可以有多个构造函数）

现在，让我们深入探讨各类构造函数。

1. 默认构造函数

默认构造函数是不需要任何参数就能调用的构造函数。

两种形式：

1. 编译器合成的默认构造函数：如果你没有为类声明任何构造函数，编译器会自动为你生成一个。注意：它对内置类型（如int, double, 指针）的成员变量不进行初始化（值是未定义的），对类类型的成员变量则调用其自身的默认构造函数。
2. 用户定义的默认构造函数：你可以显式定义一个。

示例代码：

class MyClass {
public:
    int data;
    std::string name;

    // 用户定义的默认构造函数（无参）
    MyClass() {
        data = 0;      // 显式初始化
        name = "Unknown";
    }

    // 或者使用成员初始化列表的更优写法
    // MyClass() : data(0), name("Unknown") {}
};

int main() {
    MyClass obj1;       // 调用默认构造函数
    MyClass obj2{};     // C++11 列表初始化，也调用默认构造函数
    MyClass* obj3 = new MyClass; // 动态分配，也调用默认构造函数

    return 0;
}

关键点：

• 一旦你定义了任何构造函数，编译器将不再自动生成默认构造函数。

• 如果你需要一个默认构造函数但又已经定义了其他构造函数，可以使用 = default 来显式要求编译器生成。

  class MyClass {
  public:
      MyClass(int x) { ... } // 参数化构造函数
      MyClass() = default;   // 显式要求编译器生成默认构造函数
  };
  

2. 参数化构造函数

参数化构造函数接受一个或多个参数，用于在创建对象时提供初始值。

示例代码：

class Date {
private:
    int day, month, year;
public:
    // 参数化构造函数
    Date(int d, int m, int y) : day(d), month(m), year(y) { // 使用成员初始化列表
        // 可以在这里添加验证逻辑，例如检查日期是否合法
    }

    void display() {
        std::cout << day << "/" << month << "/" << year << std::endl;
    }
};

int main() {
    Date today(26, 10, 2023); // 调用参数化构造函数
    Date birthday{10, 5, 1990}; // C++11 统一初始化语法，推荐使用
    today.display(); // 输出：26/10/2023

    // Date errorDate; // 错误！因为我们已经定义了构造函数，编译器不再生成默认构造函数。
    return 0;
}

成员初始化列表：

• 注意上面代码中的 : day(d), month(m), year(y)。这是成员初始化列表。
• 强烈推荐使用，因为它直接在成员变量被创建时初始化它们，效率高于在构造函数体内使用赋值操作（day = d;）。对于常量成员（const）和引用成员（&），必须使用初始化列表。

3. 拷贝构造函数

拷贝构造函数用于用一个已存在的对象来初始化一个新对象。它接受一个对本类类型的常量引用作为参数。

形式： ClassName(const ClassName& other)

何时被调用？

1. 用一个对象初始化另一个对象时：MyClass obj1; MyClass obj2 = obj1; 或 MyClass obj2(obj1);
2. 对象作为值传递给函数参数时。
3. 函数返回值一个对象时（可能会因编译器RVO优化而省略）。

示例代码：

class StringWrapper {
private:
    char* m_data;
    size_t m_size;
public:
    // 参数化构造函数
    StringWrapper(const char* str) {
        m_size = strlen(str);
        m_data = new char[m_size + 1]; // 动态分配内存
        strcpy(m_data, str);
    }

    // 1. 拷贝构造函数（深拷贝）
    StringWrapper(const StringWrapper& other) : m_size(other.m_size) {
        std::cout << "拷贝构造函数被调用！" << std::endl;
        m_data = new char[m_size + 1];
        strcpy(m_data, other.m_data);
    }

    // 析构函数
    ~StringWrapper() {
        delete[] m_data;
    }

    void print() {
        std::cout << m_data << std::endl;
    }
};

int main() {
    StringWrapper str1("Hello");
    StringWrapper str2 = str1; // 调用拷贝构造函数

    str1.print(); // Hello
    str2.print(); // Hello

    return 0;
}
// 析构时不会出错，因为str1和str2拥有各自独立的内存（深拷贝）。

深浅拷贝问题：

• 如果类中没有动态分配的资源（如指针），使用编译器自动生成的拷贝构造函数（浅拷贝）就足够了，它只是简单地逐位复制。
• 如果类管理着动态资源（如上面的char* m_data），必须自定义拷贝构造函数实现深拷贝。否则，两个对象的指针会指向同一块内存，导致双重释放（double free）的运行时错误。

4. 移动构造函数（C++11 引入）

移动构造函数是C++11为支持移动语义而引入的，它用于将资源（如动态内存）从一个即将销毁的临时对象“移动”到新对象中，从而避免不必要的深拷贝，提升性能。

形式： ClassName(ClassName&& other) noexcept （noexcept 很重要，标准库容器在重新分配内存时会使用移动构造函数，它要求该操作不抛异常）。

示例代码：

class StringWrapper {
    // ... 其他成员同上 ...

    // 2. 移动构造函数
    StringWrapper(StringWrapper&& other) noexcept : m_data(nullptr), m_size(0) {
        std::cout << "移动构造函数被调用！" << std::endl;
        // "窃取" 临时对象的资源
        m_data = other.m_data;
        m_size = other.m_size;

        // 将临时对象置于有效但可析构的状态
        other.m_data = nullptr;
        other.m_size = 0;
    }
};

StringWrapper createString() {
    return StringWrapper("Temporary String"); // 这是一个右值
}

int main() {
    StringWrapper str3 = createString(); // 这里会优先调用移动构造函数（如果存在）
    str3.print(); // Temporary String

    // 如果没有移动构造函数，则会调用拷贝构造函数，性能较低。
    return 0;
}

关键点：

• 参数是 右值引用 (ClassName&&)。
• 它“偷走”源对象的资源，并将源对象置于一个有效但可安全析构的状态（通常将其指针设为nullptr）。
• 对于管理昂贵资源的类，实现移动构造函数是性能优化的关键。

5. 委托构造函数（C++11 引入）

委托构造函数允许一个构造函数调用同一个类的另一个构造函数，以避免代码重复。

示例代码：

class Employee {
private:
    int m_id;
    std::string m_name;
    std::string m_department;
public:
    // 目标构造函数
    Employee(int id, const std::string& name, const std::string& dept)
        : m_id(id), m_name(name), m_department(dept) {
        std::cout << "三参数构造函数" << std::endl;
    }

    // 委托构造函数：委托给上面的三参数构造函数
    Employee(int id, const std::string& name) : Employee(id, name, "Unassigned") {
        std::cout << "委托构造函数" << std::endl;
    }

    // 默认构造函数也可以委托
    Employee() : Employee(0, "Unknown", "Unassigned") {}
};

6. 转换构造函数（单参数构造函数）

任何只接受一个参数的构造函数（除了拷贝/移动构造函数），都定义了一种从参数类型到该类类型的隐式转换规则。

示例代码：

class MyNumber {
private:
    int value;
public:
    // 转换构造函数：从 int 到 MyNumber
    MyNumber(int v) : value(v) {}

    void display() {
        std::cout << "Value: " << value << std::endl;
    }
};

void printNumber(MyNumber num) {
    num.display();
}

int main() {
    MyNumber num = 42; // 隐式转换：int 42 被转换为 MyNumber 对象
    printNumber(100);  // 隐式转换：int 100 被转换为 MyNumber 对象

    return 0;
}

防止隐式转换：

• 隐式转换有时会带来意想不到的错误。可以使用 explicit 关键字来禁止它。

  class MyNumber {
  public:
      explicit MyNumber(int v) : value(v) {} // 显式构造函数
  };
  
  // MyNumber num = 42; // 错误！转换是显式的，无法进行隐式转换。
  MyNumber num(42);     // 正确！直接初始化。
  MyNumber num2 = MyNumber(42); // 正确！显式转换。
  printNumber(MyNumber(100)); // 正确！必须显式转换。
  // printNumber(100);        // 错误！
  

总结

理解并正确使用这些构造函数，是编写出正确、高效、易于维护的C++代码的关键。对于资源管理类（如智能指针、容器），三/五法则（需要自定义拷贝构造/赋值、移动构造/赋值、析构函数中的一个，通常需要自定义全部）是重要的指导原则。