第三篇博客

Posted on

赋值运算符为什么必须定义为成员函数

在C++中，赋值运算符（=）通常需要被定义为类的成员函数，而不能是友元函数或非成员函数。这是因为以下几个原因：

  1. 语法限制：在C++中，某些运算符（如赋值运算符、下标运算符、函数调用运算符等）只能作为成员函数来重载，而不能作为非成员函数。这是C++语言本身的规定，设计者这样规定是为了让这些运算符的行为更接近其内建类型的原生行为。

  2. 保持语义一致性：赋值运算符用于将一个对象的值赋给另一个对象。将赋值运算符定义为成员函数，有助于保持与内建类型的赋值操作一致的语义。此外，成员函数可以访问类的私有成员，这使得赋值操作可以在内部完成，而无需暴露类的实现细节。

  3. 自动处理自赋值情况：当赋值运算符被定义为成员函数时，如果发生自赋值（如a = a），编译器可以更容易地识别这种情况并进行优化。如果将赋值运算符定义为非成员函数，处理自赋值情况可能会更加困难。

  4. 提供默认赋值运算符：如果在类中没有显式地定义赋值运算符，编译器会自动生成一个默认的赋值运算符。这个默认的赋值运算符会执行逐成员（逐个数据成员）的赋值操作。默认的赋值运算符是一个成员函数，可以满足大多数场景的需求。如果你需要自定义赋值运算符，定义成员函数是最直接的方式。

总之，将赋值运算符定义为成员函数，有助于保持与内建类型的赋值操作一致的语义，简化自赋值情况的处理，并允许访问类的私有成员。这些原因使得赋值运算符作为成员函数更加合适。

给出定义成成员函数和非成员函数的例子，以及如果是编译器自动生成的，默认赋值是怎么赋值的，都给出例子

首先，我们给出一个成员函数和非成员函数的简单示例。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
// 类定义
class MyClass {
public:
    int x;

    // 成员函数
    void memberFunction() {
        x = 42;
    }
};

// 非成员函数
void nonMemberFunction(MyClass& obj) {
    obj.x = 42;
}

int main() {
    MyClass obj;

    // 调用成员函数
    obj.memberFunction();

    // 调用非成员函数
    nonMemberFunction(obj);

    return 0;
}

这个示例展示了如何使用成员函数和非成员函数来操作类的公共数据成员。请注意，这个示例没有涉及运算符重载，只是展示了成员函数和非成员函数的基本概念。

接下来，我们讨论编译器自动生成的默认赋值运算符。当你没有为类显式定义赋值运算符时，编译器会生成一个默认的赋值运算符。默认赋值运算符会执行逐成员赋值，即逐个拷贝源对象的数据成员到目标对象。这里有一个示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
#include <iostream>

class Point {
public:
    int x;
    int y;
};

int main() {
    Point p1;
    p1.x = 3;
    p1.y = 4;

    Point p2;
    p2.x = 0;
    p2.y = 0;

    // 使用编译器生成的默认赋值运算符
    p2 = p1;

    // 输出结果：3, 4
    std::cout << p2.x << ", " << p2.y << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例中，我们没有为Point类显式定义赋值运算符。然而，当我们执行p2 = p1时，编译器生成的默认赋值运算符会被调用。默认赋值运算符会将p1的数据成员逐个拷贝到p2，所以在赋值操作之后，p2.x和p2.y分别是3和4。

如果把MyClass类里的x定义成private，那么非成员函数传入的obj的x还能被赋值吗，你能详细展开讲讲这些问题吗

如果将MyClass类中的数据成员x定义为private，则非成员函数将无法直接访问和修改它。以下是修改后的类定义和示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
// 类定义
class MyClass {
private:
    int x;

public:
    // 成员函数
    void memberFunction() {
        x = 42;
    }

    // 提供一个访问x的接口
    int getX() const {
        return x;
    }

    // 提供一个修改x的接口
    void setX(int newX) {
        x = newX;
    }
};

// 非成员函数
void nonMemberFunction(MyClass& obj) {
    // obj.x = 42; // 错误！无法访问私有成员
    obj.setX(42); // 使用公共接口修改x
}

int main() {
    MyClass obj;

    // 调用成员函数
    obj.memberFunction();

    // 调用非成员函数
    nonMemberFunction(obj);

    return 0;
}

由于x现在是私有成员，我们不能在类外部直接访问它。这种情况下，我们需要为MyClass提供公共接口（如getX()和setX()），以便在类外部获取和修改x的值。在这个示例中，我们在nonMemberFunction()中使用了setX()方法来修改x的值，而不是直接访问私有成员。

私有成员的主要目的是封装和隐藏类的实现细节。这样，你可以更自由地修改类的内部实现，而不影响使用该类的代码。通过将数据成员设置为私有并提供公共接口，你可以控制类外部对数据成员的访问和修改，从而确保类的正确使用和数据的完整性。

/ obj.x = 42; // 错误！无法访问私有成员 obj.setX(42); // 使用公共接口修改x 这个意思是：虽然不能直接对x进行修改，但obj仍然有x这个属性，那么obj的x属性值是多少呢？obj不是拥有它吗？我的理解有误吗

是的，你的理解是正确的。MyClass对象obj仍然具有数据成员x，但是由于x是私有的，所以在类的外部不能直接访问或修改它。这就是封装的概念。尽管x是私有的，但它仍然是MyClass对象的一部分。这意味着当你创建一个MyClass对象时，x也会作为对象的一部分被创建。

在上述示例中，当我们创建MyClass对象obj时，x的初始值是未定义的（因为我们没有为x提供初始值）。在调用obj.memberFunction()后，x的值被设置为42。然后，当我们调用nonMemberFunction(obj)时，我们不能直接访问x，但可以通过公共接口setX()来修改x的值。这里，我们再次将x的值设置为42。

所以，在nonMemberFunction()执行之后，obj的x属性值仍然是42。虽然我们不能直接访问x，但通过公共接口getX()，我们可以获取x的值。例如：

1
std::cout << "obj.x = " << obj.getX() << std::endl; // 输出：obj.x = 42

总之，obj确实拥有私有成员x，但在类的外部不能直接访问或修改它。为了在类外部操作x，我们需要使用类提供的公共接口。

此外，成员函数可以访问类的私有成员，这使得赋值操作可以在内部完成，而无需暴露类的实现细节。如果不是成员函数就会暴露细节吗？给个例子

当赋值操作涉及类的私有成员时，使用成员函数可以确保不会暴露类的实现细节。如果尝试使用非成员函数来实现赋值操作，我们需要提供访问私有成员的接口，这可能会破坏封装。让我们用一个例子来说明这个问题。

首先，考虑以下MyClass定义：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
class MyClass {
private:
    int x;

public:
    MyClass(int initialX) : x(initialX) {}

    // 成员赋值运算符
    MyClass& operator=(const MyClass& other) {
        if (this == &other) {
            return *this;
        }
        x = other.x; // 可以直接访问私有成员
        return *this;
    }

    int getX() const {
        return x;
    }
};

在这个例子中，我们定义了一个成员赋值运算符。因为这是一个成员函数，所以它可以直接访问other对象的私有成员x。这样，我们不需要提供额外的接口来访问x，可以保持封装。

现在，假设我们尝试使用非成员函数来实现赋值操作：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
class MyClass {
private:
    int x;

public:
    MyClass(int initialX) : x(initialX) {}

    // 提供访问x的接口
    int getX() const {
        return x;
    }

    // 提供修改x的接口
    void setX(int newX) {
        x = newX;
    }
};

// 非成员赋值运算符
MyClass& operator=(MyClass& lhs, const MyClass& rhs) {
    if (&lhs == &rhs) {
        return lhs;
    }
    // 无法直接访问私有成员，需要使用公共接口
    lhs.setX(rhs.getX());
    return lhs;
}

在这个例子中，我们试图使用非成员函数实现赋值运算符。然而，由于非成员函数无法直接访问私有成员，我们必须提供公共接口getX()和setX()来访问和修改x。这暴露了类的实现细节，并可能破坏封装。

需要注意的是，这个例子中的非成员赋值运算符尝试重载等号运算符（=），然而，实际上在C++中赋值运算符（=）必须被定义为类的成员函数，不能作为非成员函数。这个例子只是用来说明如果使用非成员函数来实现类似赋值操作的情况，可能会导致封装的破坏。

类似拷贝构造函数，对于某些类，合成拷贝赋值运算符用来禁止该类型对象的赋值，这句话如何理解

这句话的意思是，对于某些类，编译器生成的合成拷贝赋值运算符可能不适用，或者类的设计者希望禁止对象之间的赋值操作。在这种情况下，合成拷贝赋值运算符会被显式地删除或声明为私有，从而阻止用户对该类的对象执行赋值操作。

当类中包含不可复制的资源（如文件句柄、互斥锁等）或类的实例应该保持唯一时（如单例模式），通常需要禁止类的对象之间的赋值操作。让我们通过一个例子来说明这个概念。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
class NonCopyableResource {
private:
    // 私有拷贝构造函数
    NonCopyableResource(const NonCopyableResource&);

    // 私有拷贝赋值运算符
    NonCopyableResource& operator=(const NonCopyableResource&);

public:
    NonCopyableResource() {}
};

在这个例子中，我们定义了一个NonCopyableResource类，它具有私有的拷贝构造函数和拷贝赋值运算符。因为这两个函数是私有的，所以在类的外部不能使用它们。这样，我们就阻止了该类对象之间的拷贝和赋值操作。

从C++11开始，我们可以更明确地禁止拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，方法是将它们声明为= delete：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
class NonCopyableResource {
public:
    NonCopyableResource() {}

    // 删除拷贝构造函数
    NonCopyableResource(const NonCopyableResource&) = delete;

    // 删除拷贝赋值运算符
    NonCopyableResource& operator=(const NonCopyableResource&) = delete;
};

这种方法更清晰地表明了拷贝构造函数和拷贝赋值运算符是被禁止的。当试图对这个类的对象执行拷贝或赋值操作时，编译器会报错。

总之，当类的对象不应该被复制或赋值时，可以通过将拷贝构造函数和拷贝赋值运算符声明为私有或删除它们来禁止这些操作。这样可以确保类的对象在程序中具有正确的行为。

如果拷贝赋值运算符不是出于禁止拷贝的目的，他会将右侧运算对象的每个非static成员赋予左侧运算对象的对应成员，为啥static不能赋值过去，是因为他的存储位置吗

是的，你的理解是正确的。当拷贝赋值运算符执行时，它会将右侧运算对象的每个非static成员逐一赋值给左侧运算对象的对应成员。static成员变量的赋值不涉及到拷贝赋值运算符，因为它们不属于类的单个实例。

static成员变量属于类本身，而不是类的对象。它们在内存中的存储位置与类的实例对象不同。实际上，所有类的实例共享同一个static成员变量。因此，当你修改一个类实例的static成员变量时，这个修改会影响所有类实例。这就是为什么在拷贝赋值操作中，不需要拷贝static成员变量的原因。

以下是一个简单的示例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
#include <iostream>

class MyClass {
public:
    int nonStaticMember;
    static int staticMember;

    MyClass(int nonStaticValue) : nonStaticMember(nonStaticValue) {}
};

// 初始化static成员变量
int MyClass::staticMember = 0;

int main() {
    MyClass obj1(10);
    MyClass obj2(20);

    // 修改static成员变量
    MyClass::staticMember = 42;

    // 拷贝赋值操作
    obj1 = obj2;

    // 输出结果：20, 42
    std::cout << "obj1: " << obj1.nonStaticMember << ", " << MyClass::staticMember << std::endl;
    // 输出结果：20, 42
    std::cout << "obj2: " << obj2.nonStaticMember << ", " << MyClass::staticMember << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例中，MyClass具有一个非static成员变量nonStaticMember和一个static成员变量staticMember。当我们执行拷贝赋值操作obj1 = obj2时，只有nonStaticMember被拷贝，而staticMember保持不变。这是因为staticMember属于类本身，而不是类的实例。

哪些情况下指针所指的对象会随着指针的销毁而销毁，哪些情况下不会？指针指向的对象没了，指针就没了吗？

指针和指针所指向的对象是两个不同的概念。指针是一种变量，它存储了对象在内存中的地址。当指针被销毁时，它所指向的对象不会自动销毁。同样，当指针所指向的对象被销毁时，指针本身也不会自动销毁。它们的生命周期是独立的。

  1. 指针所指向的对象会随着指针的销毁而销毁的情况： 实际上，没有这样的情况。当指针被销毁时，它所指向的对象不会自动销毁。只有当你显式地销毁指针所指向的对象时，对象才会被销毁。

  2. 指针指向的对象没了，指针就没了吗？ 不是这样的。当指针所指向的对象被销毁时，指针本身不会自动销毁。指针仍然存在，但它现在指向的是一个已经销毁的对象，也就是所谓的悬空指针（dangling pointer）。在这种情况下，访问该悬空指针可能导致未定义行为，因为它可能指向无效的内存区域。

以下是一个例子：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
#include <iostream>

int main() {
    int* p = new int(42); // 动态分配内存，p指向该内存区域

    delete p; // 销毁p所指向的对象，释放内存

    // p没有被销毁，但现在是一个悬空指针，因为它指向的对象已经被销毁
    // 访问p可能导致未定义行为
    // std::cout << *p << std::endl; // 不安全！不要这样做

    p = nullptr; // 将悬空指针设置为nullptr，避免未定义行为

    return 0;
}

为了避免未定义行为，当销毁指针所指向的对象后，通常将指针设置为nullptr。这样，即使指针没有被销毁，也不会指向一个无效的内存区域。

HasPtr(const HasPtr& rhs) { this->i = rhs.i; this->ps = &(rhs.ps); } 和下面这个 HasPtr(const HasPtr& rhs) { this->i = rhs.i; ps = new string(rhs.ps); } 从拷贝构造函数的实现意义层面来说，有区别吗？是不是都是拷贝了ps指向的对象，而不是拷贝ps本身

这两个拷贝构造函数的实现在语义层面上有很大的区别。

第一个拷贝构造函数： 

1
2
3
4
HasPtr(const HasPtr& rhs) {
    this->i = rhs.i;
    this->ps = &(*rhs.ps);
}
这个拷贝构造函数的实现仅仅是将rhs对象的ps成员的地址赋值给当前对象的ps成员。这意味着，两个HasPtr对象的ps成员指向同一个string对象。在这种情况下，我们说这是一种浅拷贝（shallow copy）。浅拷贝可能导致资源管理问题，如在析构函数中释放同一个对象两次。

第二个拷贝构造函数： 

1
2
3
4
HasPtr(const HasPtr& rhs) {
    this->i = rhs.i;
    ps = new string(*rhs.ps);
}
这个拷贝构造函数的实现不仅将rhs对象的ps成员的值复制给当前对象的ps成员，还为当前对象的ps成员创建了一个新的string对象。这样，两个HasPtr对象的ps成员指向两个不同的、相互独立的string对象。在这种情况下，我们说这是一种深拷贝（deep copy）。深拷贝通常可以避免资源管理问题，因为每个对象都有自己独立的资源副本。

所以，从拷贝构造函数的实现意义层面来说，这两个实现有很大的区别。第一个实现是浅拷贝，可能导致资源管理问题；而第二个实现是深拷贝，可以避免这些问题。在实际编程中，根据具体需求选择合适的拷贝策略是很重要的。

#include class HasPtr { public: HasPtr(const std::string &s = std::string()): ps(new std::string(s)), i(0) {} /HasPtr(const HasPtr& rhs) { this->i = rhs.i; this->ps = &(rhs.ps); }/ ~HasPtr() { delete ps; } private: std::string ps; int i; }; HasPtr f(HasPtr hp) { HasPtr ret = hp; return ret; } int main() { HasPtr p(“hello world”); f(p); HasPtr q(p); return 0; } 这里我有一个疑问，f函数的返回值是HasPtr类型，为什么我在main函数里调用f不需要使用HasPtr类型的对象来接受它的返回值呢

在这个例子中，当你调用f(p)时，即使没有为f函数的返回值指定一个HasPtr类型的对象来接收它，C++编译器仍然会处理这种情况。在没有指定接收返回值的情况下，编译器会创建一个临时HasPtr对象，用于接收f函数的返回值。这个临时对象会在表达式结束后立即销毁。

这就是为什么你不需要显式地使用一个HasPtr对象来接收f函数的返回值。然而，为了避免潜在的性能损失和资源浪费，通常建议你在调用返回对象的函数时指定一个接收返回值的变量。例如：

1
2
3
4
5
6
7
int main() {
    HasPtr p("hello world");
    HasPtr r = f(p);  // 使用HasPtr对象r来接收f函数的返回值
    HasPtr q(p);

    return 0;
}

这样，你可以避免创建和销毁临时对象，从而提高程序的性能。

为什么需要拷贝操作的类也需要赋值操作，反之亦然，这句话是什么意思

这句话的意思是，当你为一个类实现拷贝操作（拷贝构造函数）时，通常也需要实现赋值操作（拷贝赋值运算符），反之亦然。这是因为拷贝操作和赋值操作通常在语义上是相似的，而且在实际使用中经常会一起出现。实现一个而不实现另一个可能导致类的行为不一致或不完整。

拷贝构造函数和拷贝赋值运算符的主要区别在于它们的用途：

  1. 拷贝构造函数（Copy Constructor）：当创建一个新对象并用另一个已存在的对象初始化它时，会调用拷贝构造函数。典型的情况包括：将一个对象作为参数传递给函数、从函数返回一个对象、初始化列表等。
1
2
MyClass obj1;
MyClass obj2(obj1);  // 调用拷贝构造函数
  1. 拷贝赋值运算符（Copy Assignment Operator）：当两个已经存在的对象之间进行赋值操作时，会调用拷贝赋值运算符。
1
2
3
MyClass obj1;
MyClass obj2;
obj2 = obj1;  // 调用拷贝赋值运算符

在许多情况下，拷贝构造函数和拷贝赋值运算符需要执行相似的操作（如深拷贝）。实现两者可以确保类在各种情况下都能正确地处理拷贝和赋值操作。这就是为什么“需要拷贝操作的类也需要赋值操作，反之亦然”的原因。如果仅实现其中之一，可能会导致类在某些情况下无法正确地执行拷贝或赋值操作，从而引发问题。

当然可以。让我们通过一个简单的示例来说明仅实现拷贝构造函数而不实现拷贝赋值运算符可能导致的问题：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
#include <iostream>
#include <string>

class MyClass {
public:
    MyClass(const std::string& s) : data(new std::string(s)) {}
    MyClass(const MyClass& other) : data(new std::string(*other.data)) {} // 拷贝构造函数实现了深拷贝
    ~MyClass() { delete data; }

private:
    std::string* data;
};

int main() {
    MyClass obj1("hello");
    MyClass obj2("world");

    MyClass obj3(obj1); // 使用拷贝构造函数，执行正确

    obj2 = obj1; // 这里使用默认的拷贝赋值运算符，执行浅拷贝

    return 0;
}

在这个示例中，我们实现了MyClass的拷贝构造函数，它执行深拷贝。但是，我们没有实现拷贝赋值运算符。因此，在赋值操作（如obj2 = obj1;）时，编译器会生成一个默认的拷贝赋值运算符，该运算符执行浅拷贝。

问题出现在这个默认的拷贝赋值运算符上。因为它执行浅拷贝，obj2和obj1的data成员将指向同一个std::string对象。当main函数结束时，obj1和obj2的析构函数都将被调用，它们都会尝试删除同一个std::string对象。这将导致未定义行为，可能会导致程序崩溃。

如果我们为MyClass同时实现拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，并确保它们都执行深拷贝，就可以避免这个问题：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
class MyClass {
public:
    // ... 其他成员函数 ...

    // 拷贝赋值运算符实现了深拷贝
    MyClass& operator=(const MyClass& other) {
        if (this == &other) {
            return *this;
        }

        std::string* newData = new std::string(*other.data);
        delete data;
        data = newData;

        return *this;
    }

private:
    std::string* data;
};

现在，无论是使用拷贝构造函数还是拷贝赋值运算符，MyClass对象都将正确地执行深拷贝，从而避免了资源管理问题。

你这个例子并没有解释为什么二者需要同时定义啊，比如第一个程序，我不执行赋值对拷贝构造也没影响啊

抱歉，我的示例可能没有充分解释为什么两者需要同时定义。请允许我通过另一个例子来解释这个问题。

假设你有一个类，它表示一个动态分配的二维数组，如下所示：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
class Matrix {
public:
    Matrix(int rows, int cols)
        : rows(rows), cols(cols), data(new int[rows * cols]) {}

    Matrix(const Matrix& other)
        : rows(other.rows), cols(other.cols), data(new int[rows * cols]) {
        std::copy(other.data, other.data + rows * cols, data);
    }

    ~Matrix() { delete[] data; }

    // ... 其他成员函数 ...

private:
    int rows, cols;
    int* data;
};

在这个例子中，我们实现了Matrix的拷贝构造函数，它执行深拷贝。然而，我们没有实现拷贝赋值运算符。因此，编译器会生成一个默认的拷贝赋值运算符，执行浅拷贝。

现在，假设你需要执行以下操作：

1
2
3
4
5
6
7
Matrix m1(2, 2);
Matrix m2(3, 3);

// 假设有一个函数，它需要一个Matrix对象作为参数，并返回一个Matrix对象
Matrix result = some_function(m1);

m2 = result; // 使用默认的拷贝赋值运算符

在这个例子中，我们创建了两个Matrix对象，它们具有不同的尺寸。然后我们调用一个函数some_function，它返回一个Matrix对象。接下来，我们将result对象赋值给m2。这里，编译器会使用默认的拷贝赋值运算符，它执行浅拷贝。

问题在于，默认的拷贝赋值运算符无法处理不同尺寸的矩阵。由于它执行浅拷贝，m2的data指针将简单地指向result的data，而不会调整其大小。这将导致错误的行为，因为m2现在引用了一个与其原始大小不匹配的数组。此外，原始m2的data指针已经丢失，导致内存泄漏。

为了解决这个问题，我们需要同时实现拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，以确保它们都执行深拷贝，并正确处理不同尺寸的矩阵。例如：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
class Matrix {
public:
    // ... 其他成员函数 ...

    Matrix& operator=(const Matrix& other) {
        if (this == &other) {
            return *this;
        }

        int* newData = new int[other.rows * other.cols];
        std::copy(other.data, other.data + other.rows * other.cols, newData);

        delete[] data;
        data = newData;
        rows = other.rows;
        cols = other.cols;

        return *this;