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