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C++ 构造函数语义学

news 2025/8/2 8:06:12

构造函数是C++中用于初始化对象的特殊成员函数，其语义学涉及编译器的处理方式、对象的构造过程以及与内存管理的交互。以下是C++构造函数语义学的关键方面：

1. 构造函数的分类

默认构造函数

当类中没有定义任何构造函数时，编译器会生成一个默认构造函数
如果用户定义了任何构造函数，编译器不会生成默认构造函数（除非显式使用= default）
```
class MyClass {
public:MyClass() {} // 默认构造函数
};
```

拷贝构造函数

class MyClass {
public:MyClass(const MyClass& other) { /* 拷贝逻辑 */ }
};

用于通过同类型的另一个对象初始化新对象

形式为X(const X&)或X(X&)
如果用户没有定义，编译器会生成一个默认的成员逐个拷贝的拷贝构造函数

移动构造函数 (C++11)

class MyClass {
public:MyClass(MyClass&& other) noexcept { /* 移动资源 */ }
};

用于"移动"资源而不是拷贝资源

形式为X(X&&)
如果用户没有定义，且类满足特定条件，编译器会生成默认的移动构造函数

转换构造函数

接受单个参数的构造函数，可用于隐式类型转换
可以使用explicit关键字禁止隐式转换

class MyClass {
public:explicit MyClass(int) {} // 禁止隐式转换
};

=default 和 =delete

class MyClass {
public:MyClass() = default; // 显式要求编译器生成默认实现MyClass(const MyClass&) = delete; // 禁止拷贝
};

=default：显式要求编译器生成默认实现
=delete：禁止特定操作（如拷贝构造）

2. 构造函数的调用语义

直接初始化 vs 拷贝初始化

MyClass obj1; // 默认构造
MyClass obj2(); // 函数声明，不是构造！
MyClass obj3{}; // 值初始化
MyClass obj4(arg); // 直接初始化
MyClass obj5 = arg; // 拷贝初始化（可能被优化）
MyClass obj6 = {arg}; // 列表初始化

继承中的构造函数

派生类构造函数在初始化列表中调用基类构造函数
如果没有显式调用，会尝试调用基类的默认构造函数

class Base {
public:Base(int) {}
};class Derived : public Base {
public:using Base::Base; // 继承Base的构造函数 (C++11)// 或者显式调用基类构造函数Derived(int x) : Base(x) {}
};

3. 构造函数的实现语义

编译器优化

返回值优化(RVO)：编译器可能消除临时对象的构造
命名返回值优化(NRVO)：对命名返回值的优化

构造函数的异常处理

如果构造函数抛出异常，已构造的成员和基类子对象会被自动析构
资源管理类(RAII)在构造函数异常时仍能保证资源释放

4. 特殊成员函数的生成规则 (C++11起)

class Example {
public:
// 用户声明或删除以下任一特殊成员函数会影响其他函数的生成
Example(); // 默认构造函数
Example(const Example&); // 拷贝构造函数
Example(Example&&); // 移动构造函数
Example& operator=(const Example&); // 拷贝赋值
Example& operator=(Example&&); // 移动赋值
~Example(); // 析构函数
};

生成规则（C++17）：

默认构造函数：仅当类没有用户声明的构造函数时生成
析构函数：总是生成（除非用户声明了删除的析构函数）
拷贝构造函数：仅当类没有用户声明的移动操作或析构函数时生成
拷贝赋值运算符：同上
移动构造函数和移动赋值运算符：仅当类没有用户声明的拷贝操作或析构函数时生成

5. 构造函数的内存语义

对象构造过程

分配内存（栈或堆）
初始化虚表指针（如果有多态）
按声明顺序构造基类子对象
按声明顺序构造成员变量
执行构造函数体

成员初始化顺序

成员变量总是按照它们在类中声明的顺序初始化
初始化列表中的顺序不影响实际初始化顺序

6. 现代C++中的构造函数改进

委托构造函数 (C++11)

class MyClass {
public:MyClass() : MyClass(0, 0) {} // 委托给另一个构造函数MyClass(int a, int b) : a_(a), b_(b) {}
private:int a_, b_;
};

一个构造函数可以调用同类的另一个构造函数
避免代码重复

继承构造函数 (C++11)

class Base {
public:Base(int) {}
};class Derived : public Base {
public:using Base::Base; // 继承Base的构造函数 (C++11)// 或者显式调用基类构造函数Derived(int x) : Base(x) {}
};

派生类必须初始化其直接基类
C++11允许使用using声明继承基类构造函数

列表初始化 (C++11)

class Point {
public:
int x, y;
Point(int a, int b) : x(a), y(b) {}
Point(std::initializer_list<int> init) {
auto it = init.begin();
x = *it++;
y = *it;
}
};Point p1{1, 2}; // 调用initializer_list构造函数
Point p2(1, 2); // 调用常规构造函数