C++面向?qū)ο缶幊讨械纳羁截惡蜏\拷貝

前言

最近在寫代碼的過程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)大家容易忽略的知識(shí)點(diǎn)： 深拷貝和淺拷貝 。

可能對(duì)于Java程序員來說，很少遇到深淺拷貝問題，但是對(duì)于C++程序員來說可謂是又愛又恨。。

淺拷貝：

• 1.將原對(duì)象或者原對(duì)象的引用直接賦值給新對(duì)象，新對(duì)象，新數(shù)組只是原對(duì)象的一個(gè)引用。

• 2.C++默認(rèn)的拷貝構(gòu)造函數(shù)與賦值運(yùn)算符重載都是淺拷貝，可以節(jié)省一定空間，但是可能會(huì)引發(fā)同一塊內(nèi)存重復(fù)釋放問題，

  二次釋放內(nèi)存可能導(dǎo)致嚴(yán)重的異常崩潰等情況。

• 淺拷貝模型：

  

深拷貝：

• 1.創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象或者數(shù)組，將對(duì)象或者數(shù)組的屬性值拷貝過來，注意此時(shí)新對(duì)象指向的不是原對(duì)象的引用而是原對(duì)象的值，新對(duì)象在堆中有自己的地址空間。

• 2.浪費(fèi)空間，但是不會(huì)引發(fā)淺拷貝中的資源重復(fù)釋放問題。

• 深拷貝模型

  

案例分析

下面使用一個(gè)案例來看下一個(gè)因?yàn)闇\拷貝帶來的bug。

#include "DeepCopy.h"
#include 
#include 
using namespace std;
class Human {
public:
    Human(int age):_age(age) {


    }
    int _age;;

};
class String {
public:
    String(Human* pHuman){
        this->pHuman = pHuman;
    }
    ~String() {
        delete pHuman;
    }
    Human* pHuman;
};

void DeepCopy::main() 
{    
    Human* p = new Human(100);
    String s1(p);
    String s2(s1);

}

這個(gè)程序從表面看是不會(huì)有啥問題的，運(yùn)行后，出現(xiàn)如下錯(cuò)誤：

先說下原因 ：

這個(gè)錯(cuò)誤就是由于代碼 String s2(s1) 會(huì)調(diào)用String的默認(rèn)拷貝構(gòu)造函數(shù)，而 默認(rèn)的拷貝構(gòu)造函數(shù)使用的是淺拷貝，即僅僅只是對(duì)新的指針對(duì)象pHuman指向原指針對(duì)象pHuman指向的地址 。

在退出main函數(shù)作用域后，會(huì)回調(diào)s1和s2的析構(gòu)函數(shù)，當(dāng)回調(diào)s2析構(gòu)函數(shù)后，s2中的pHuman內(nèi)存資源被釋放，此時(shí)再回調(diào)s1，也會(huì)回調(diào)s1中的pHuman析構(gòu)函數(shù)，可是此時(shí)的pHuman指向的地址

已經(jīng)在s2中被釋放了，造成了二次釋放內(nèi)存，出現(xiàn)了崩潰的情況 。

所以為了防止出現(xiàn)二次釋放內(nèi)存的情況，需要使用深拷貝 。

深拷貝需要重寫拷貝構(gòu)造函數(shù)以及賦值運(yùn)算符重載，且在拷貝構(gòu)造內(nèi)部重新去new一個(gè)對(duì)象資源.

代碼如下：

#include "DeepCopy.h"
#include 
#include 
using namespace std;
class Human {
public:
    Human(int age):_age(age) {

}

int _age;;

};
class String {
public:
    String(Human* pHuman){
        this->pHuman = pHuman;
    }
    //重寫拷貝構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)深拷貝，防止二次釋放內(nèi)存引發(fā)崩潰
    String(const String& str) {
        pHuman = new Human(str.pHuman->_age);
    }
    ~String() {
        delete pHuman;
    }
    Human* pHuman;
};

void DeepCopy::main() 
{    
    Human* p = new Human(100);
    String s1(p);
    String s2(s1);

}

默認(rèn)情況下使用：

String s2(s1)或者String s2 = s1 這兩種方式去賦值，就會(huì)調(diào)用String的拷貝構(gòu)造方法，如果沒有實(shí)現(xiàn)，則會(huì)執(zhí)行默認(rèn)的拷貝構(gòu)造，即淺拷貝。

可以在拷貝構(gòu)造函數(shù)中使用new重新對(duì)指針進(jìn)行資源分配，達(dá)到深拷貝的要求、

說了這么多只要記住一點(diǎn)： 如果類中有成員變量是指針的情況下，就需要自己去實(shí)現(xiàn)深拷貝 。

雖然深拷貝可以幫助我們防止出現(xiàn)二次內(nèi)存是否的問題，但是其會(huì)浪費(fèi)一定空間，如果對(duì)象中資源較大，拿每個(gè)對(duì)象都包含一個(gè)大對(duì)象，這不是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)，而淺拷貝就沒這個(gè)問題。

那么有什么方法可以兼容他們的優(yōu)點(diǎn)么？ 即不浪費(fèi)空間也不會(huì)引起二次內(nèi)存釋放 ？

兼容優(yōu)化方案：

• 1.引用計(jì)數(shù)方式
• 2.使用move語義轉(zhuǎn)移

引用計(jì)數(shù)

我們對(duì)資源增加一個(gè)引用計(jì)數(shù)，在構(gòu)造函數(shù)以及拷貝構(gòu)造函數(shù)中讓計(jì)數(shù)+1，在析構(gòu)中讓計(jì)數(shù)-1.當(dāng)計(jì)數(shù)為0時(shí)，才會(huì)去釋放資源，這是一個(gè)不錯(cuò)的注意。

如圖所示：

對(duì)應(yīng)代碼如下：

#include "DeepCopy.h"
#include 
#include 
using namespace std;
class Human {
public:
    Human(int age):_age(age) {

    }
    int _age;;
};
class String {
public:
    String() {
        addRefCount();
    }
    String(Human* pHuman){
        this->pHuman = pHuman;
        addRefCount();
    }
    //重寫拷貝構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)深拷貝，防止二次釋放內(nèi)存引發(fā)崩潰
    String(const String& str) {
        ////深拷貝
        //pHuman = new Human(str.pHuman->_age);
        //淺拷貝
        pHuman = str.pHuman;
        addRefCount();
    }
    ~String() {
        subRefCount();
        if (getRefCount() <= 0) {
            delete pHuman;
        }   
    }
    Human* pHuman;
private:
    void addRefCount() {
        refCount++;
    }
    void subRefCount() {
        refCount--;
    }
    int getRefCount() {
        return refCount;
    }
    static int refCount;
};
int String::refCount = 0;
void DeepCopy::main() 
{    
    Human* p = new Human(100);
    String s1(p);
    String s2 = s1;

}

此時(shí)的拷貝構(gòu)造函數(shù)使用了淺拷貝對(duì)成員對(duì)象進(jìn)行賦值，且 只有在引用計(jì)數(shù)為0的情況下才會(huì)進(jìn)行資源釋放 。

但是引用計(jì)數(shù)的方式會(huì)出現(xiàn)循環(huán)引用的情況，導(dǎo)致內(nèi)存無法釋放，發(fā)生 內(nèi)存泄露 。

循環(huán)引用模型如下：

我們知道在C++的 智能指針shared_ptr中就使用了引用計(jì)數(shù) ：

類似java中對(duì)象垃圾的定位方法，如果有一個(gè)指針引用某塊內(nèi)存，則引用計(jì)數(shù)+1，釋放計(jì)數(shù)-1.如果引用計(jì)數(shù)為0，則說明這塊內(nèi)存可以釋放了。

下面我們寫個(gè)shared_ptr循環(huán)引用的情況：

class A {
  public:
    shared_ptr pa;

**
~A() {

cout << "~A" << endl;

}

};
class B {
public:
    shared_ptr pb;

~B() {
cout << "~B" << endl;
}

};
void sharedPtr() {
    shared_ptr a(new A());
    shared_ptr b(new B());
    cout << "第一次引用:" << endl;
    cout <<"計(jì)數(shù)a:" << a.use_count() << endl;
    cout << "計(jì)數(shù)b:" << b.use_count() << endl;
    a->pa = b;
    b->pb = a;
    cout << "第二次引用:" << endl;
    cout << "計(jì)數(shù)a:" << a.use_count() << endl;
    cout << "計(jì)數(shù)b:" << b.use_count() << endl;
}
運(yùn)行結(jié)果：
第一次引用:
計(jì)數(shù)a:1
計(jì)數(shù)b:1
第二次引用:
計(jì)數(shù)a:2
計(jì)數(shù)b:2

[**
可以看到運(yùn)行結(jié)果并沒有打印出對(duì)應(yīng)的析構(gòu)函數(shù)，也就是沒被釋放。

指針a和指針b是棧上的，當(dāng)退出他們的作用域后，引用計(jì)數(shù)會(huì)-1，但是其計(jì)數(shù)器數(shù)是2，所以還不為0，也就是不能被釋放。你不釋放我，我也不釋放你，咱兩耗著唄。

這就是標(biāo)志性的由于循環(huán)引用計(jì)數(shù)導(dǎo)致的內(nèi)存泄露.。所以 我們?cè)谠O(shè)計(jì)深淺拷貝代碼的時(shí)候千萬別寫出循環(huán)引用的情況 。

move語義轉(zhuǎn)移

在C++11之前，如果要將源對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)對(duì)象只能通過復(fù)制。

而現(xiàn)在在某些情況下，我們沒有必要復(fù)制對(duì)象，只需要移動(dòng)它們。

C++11引入移動(dòng)語義 ：

源對(duì)象資源的控制權(quán)全部交給目標(biāo)對(duì)象。注意這里說的是控制權(quán)，即使用一個(gè)新的指針對(duì)象去指向這個(gè)對(duì)象，然后將原對(duì)象的指針置為nullptr

模型如下：

要實(shí)現(xiàn)move語義，需要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)

代碼如下：

//移動(dòng)語義move
class Human {
public:
    Human(int age) :_age(age) {

}

int _age;;

};
class String {
public:

String(Human* pHuman) {

this->pHuman = pHuman;

}

//重寫拷貝構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)深拷貝，防止二次釋放內(nèi)存引發(fā)崩潰

String(const String& str) {

////深拷貝

//pHuman = new Human(str.pHuman->_age);

//淺拷貝

pHuman = str.pHuman;

}

//移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)

String(String&& str) {

pHuman = str.pHuman;

str.pHuman = NULL;

}

~String() {

if (pHuman != NULL) {

delete pHuman;

}

}

Human* pHuman;

};
void DeepCopy::main()
{
    Human* p = new Human(100);
    String s1(p);

String s2(std::move(s1));

String s3(std::move(s2));

}

該案例中， 指針p的權(quán)限會(huì)由s1讓渡給s2，s2再讓渡給s3 .

使用move語義轉(zhuǎn)移在C++中使用還是比較頻繁的，因?yàn)槠淇梢源蟠罂s小因?yàn)閷?duì)象對(duì)象的創(chuàng)建導(dǎo)致內(nèi)存吃緊的情況。比較推薦應(yīng)用中使用這種方式來優(yōu)化內(nèi)存方面問題.

總結(jié)

本篇文章主要講解了C++面向?qū)ο?a target="_blank">編程中的深拷貝和淺拷貝的問題，以及使用引用計(jì)數(shù)和move語義轉(zhuǎn)移的方式來優(yōu)化深淺拷貝的問題。

C++不像Java那樣，JVM都給我們處理好了資源釋放的問題，沒有二次釋放導(dǎo)致的崩潰情況， C++要懂的東西遠(yuǎn)非Java可比，這也是為什么C++程序員那么少的原因之一吧 。

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