search

Конструкторы, деструкторы и передача объектов

Несмотря на то что передача функциям несложных объектов в качестве аргументов — довольно простая процедура, при этом могут происходить непредвиденные события, имеющие отношение к конструкторам и деструкторам. Чтобы разобраться в этом, рассмотрим следующую программу. 


// Конструкторы, деструкторы и передача объектов.
#include <iostream>
using namespace std;
class myclass {
int val;
public:
myclass(int i) { val = i; cout << "Создание\n"; }
~myclass() { cout << "Разрушение\n"; }
int getval() { return val; }
};
void display(myclass ob)
{
cout << ob.getval() << '\n';
}
int main()
{
myclass a(10);
display(a);
return 0;
}
При выполнении эта программа выводит следующие неожиданные результаты.
Создание
10
Разрушение
Разрушение

Как видите, здесь выполняется одно обращение к функции конструктора (при создании объекта a), но почему-то два обращения к функции деструктора. Давайте разбираться, в чем тут дело.

При передаче объекта функции создается его копия (и эта копия становится параметром в функции). Создание копии означает "рождение" нового объекта. Когда выполнение функции завершается, копия аргумента (т.е. параметр) разрушается. Здесь возникает сразу два вопроса. Во-первых, вызывается ли конструктор объекта при создании копии? Вовторых, вызывается ли деструктор объекта при разрушении копии? Ответы могут удивить вас.

Когда при вызове функции создается копия аргумента, обычный конструктор не вызывается. Вместо этого вызывается конструктор копии объекта. Конструктор копии определяет, как должна быть создана копия объекта. (Как создать конструктор копии, будет показано ниже в этой главе.) Но если в классе явно не определен конструктор копии, C++ предоставляет его по умолчанию. Конструктор копии по умолчанию создает побитовую (т.е. идентичную) копию объекта. Поскольку обычный конструктор используется для инициализации некоторых аспектов объекта, он не должен вызываться для создания копии уже существующего объекта. Такой вызов изменил бы его содержимое. При передаче объекта функции имеет смысл использовать текущее состояние объекта, а не его начальное состояние.

Но когда функция завершается и разрушается копия объекта, используемая в качестве аргумента, вызывается деструктор этого объекта. Необходимость вызова деструктора связана с выходом объекта из области видимости. Именно поэтому предыдущая программа имела два обращения к деструктору. Первое произошло при выходе из области видимости параметра функции display(), а второе— при разрушении объекта a в функции main() по завершении программы.

Итак, когда объект передается функции в качестве аргумента, обычный конструктор не вызывается. Вместо него вызывается конструктор копии, который по умолчанию создает побитовую (идентичную) копию этого объекта. Но когда эта копия разрушается (обычно при выходе за пределы области видимости по завершении функции), обязательно вызывается деструктор.

Потенциальные проблемы при передаче параметров

Несмотря на то что объекты передаются функциям "по значению", т.е. посредством обычного С++-механизма передачи параметров, который теоретически защищает аргумент и изолирует его от принимаемого параметра, здесь все-таки возможен побочный эффект или даже угроза для "жизни" объекта, используемого в качестве аргумента. Например, если объект, используемый как аргумент, требует динамического выделения памяти и освобождает эту память при разрушении, его локальная копия при вызове деструктора освободит ту же самую область памяти, которая была выделена оригинальному объекту. И этот факт становится уже целой проблемой, поскольку оригинальный объект все еще использует эту (уже освобожденную) область памяти. Описанная ситуация делает исходный объект "ущербным" и, по сути, непригодным для использования. Рассмотрим следующую простую программу


// Демонстрация проблемы, возможной при передаче объектов
функциям.
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
class myclass {
int *p;
public:
myclass(int i);
~myclass();
int getval() { return *p; }
};
myclass::myclass(int i)
{
cout << "Выделение памяти, адресуемой указателем p.\n";
р = new int;
*p = i;
}
myclass::~myclass()
{
cout <<"Освобождение памяти, адресуемой указателем p.\n";
delete p;
}
// При выполнении этой функции и возникает проблема.
void display(myclass ob)
{
cout << ob.getval() << '\n';
}
int main()
{
myclass a(10);
display(a);
return 0;
}
Вот как выглядят результаты выполнения этой программы.
Выделение памяти, адресуемой указателем р.
10
Освобождение памяти, адресуемой указателем р.
Освобождение памяти, адресуемой указателем р.

Эта программа содержит принципиальную ошибку. И вот почему: при создании в функции main() объекта a выделяется область памяти, адрес которой присваивается указателю а.р . При передаче функции display() объект a копируется в параметр ob. Это означает, что оба объекта (a и ob) будут иметь одинаковое значение для указателя р.

Другими словами, в обоих объектах (в оригинале и его копии) член данных p будет указывать на одну и ту же динамически выделенную область памяти. По завершении функции display() объект ob разрушается, и его разрушение сопровождается вызовом деструктора. Деструктор освобождает область памяти, адресуемую указателем ob.р. Но ведь эта (уже освобожденная) область памяти — та же самая область, на которую все еще указывает член данных (исходного объекта) a.p! Налицо серьезная ошибка.

В действительности дела обстоят еще хуже. По завершении программы разрушается объект a, и динамически выделенная (еще при его создании) память освобождается вторично. Дело в том, что освобождение одной и той же области динамически выделенной памяти во второй раз считается неопределенной операцией, которая, как правило (в зависимости от того, как реализована система динамического распределения памяти), вызывает неисправимую ошибку.

Возможно, читатель уже догадался, что один из путей решения проблемы, связанной с разрушением (еще нужных) данных деструктором объекта, являющегося параметром функции, состоит не в передаче самого объекта, а в передаче указателя на него или ссылки. В этом случае копия объекта не создается; следовательно, по завершении функции деструктор не вызывается. Вот как выглядит, например, один из способов исправления предыдущей программы. 


// Одно из решений проблемы передачи объектов.
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
class myclass {
int *p;
public:
myclass(int i);
~myclass();
int getval() { return *p; }
};
myclass::myclass(int i)
{
cout << "Выделение памяти, адресуемой указателем p.\n";
р = new int;
*p = i;
}
myclass::~myclass()
{
cout <<"Освобождение памяти, адресуемой указателем p.\n";
delete p;
}
/* Эта функция HE создает проблем. Поскольку объект ob теперь
передается по ссылке, копия аргумента не создается, а
следовательно, объект не выходит из области видимости по
завершении функции display().
*/
void display(myclass &ob)
{
cout << ob.getval() << '\n';
}
int main()
{
myclass a(10);
display(a);
return 0;
}
Результаты выполнения этой версии программы выглядят гораздо лучше предыдущих.
Выделение памяти, адресуемой указателем р.
10
Освобождение памяти, адресуемой указателем р.

Как видите, здесь деструктор вызывается только один раз, поскольку при передаче по ссылке аргумента функции display() копия объекта не создается.

Передача объекта по ссылке — прекрасное решение описанной проблемы, но только в случаях, когда ситуация позволяет принять его, что бывает далеко не всегда. К счастью, есть более общее решение: можно создать собственную версию конструктора копии. Это позволит точно определить, как именно следует создавать копию объекта и тем самым избежать описанных выше проблем. Но прежде чем мы займемся конструктором копии, имеет смысл рассмотреть еще одну ситуацию, в обработке которой мы также можем выиграть от создания конструктора копии.

Возвращение объектов функциями

Если объекты можно передавать функциям, то "с таким же успехом" функции могут возвращать объекты. Чтобы функция могла вернуть объект, во-первых, необходимо объявить в качестве типа возвращаемого ею значения тип соответствующего класса. Во-вторых, нужно обеспечить возврат объекта этого типа с помощью обычной инструкции return. Рассмотрим пример функции, которая возвращает объект. 


// Использование функции, которая возвращает объект.
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
class sample {
char s[80];
public:
void show() { cout << s << "\n"; }
void set(char *str) { strcpy(s, str); }
};
// Эта функция возвращает объект типа sample.
sample input()
{
char instr[80];
sample str;
cout << "Введите строку: ";
cin >> instr;
str.set(instr);
return str;
}
int main()
{
sample ob;
// Присваиваем объект, возвращаемый
// функцией input(), объекту ob.
ob = input();
ob.show();
return 0;
}

} В этом примере функция input() создает локальный объект str класса sample, а затем считывает строку с клавиатуры. Эта строка копируется в строку str.s, после чего объект str возвращается функцией input() и присваивается объекту ob в функции main().

Потенциальная проблема при возвращении объектов функциями

Относительно возвращения объектов функциями важно понимать следующее. Если функция возвращает объект класса, она автоматически создает временный объект, который хранит возвращаемое значение. Именно этот объект реально и возвращается функцией. После возврата значения объект разрушается. Разрушение временного объекта в некоторых ситуациях может вызвать непредвиденные побочные эффекты. Например, если объект, возвращаемый функцией, имеет деструктор, который освобождает динамически выделяемую память, эта память будет освобождена даже в том случае, если объект, получающий возвращаемое функцией значение, все еще ее использует. Рассмотрим следующую некорректную версию предыдущей программы. 


// Ошибка, генерируемая при возвращении объекта функцией.
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
using namespace std;
class sample {
char *s;
public:
sample() { s = 0; }
~sample() {
if(s) delete [] s;
cout << "Освобождение s-памяти.\n";
}
void show() { cout << s << "\n"; }
void set(char *str);
};
// Загрузка строки.
void sample::set(char *str)
{
s = new char[strlen(str)+1];
strcpy(s, str);
}
// Эта функция возвращает объект типа sample.
sample input()
{
char instr[80];
sample str;
cout << "Введите строку: ";
cin >> instr;
str.set(instr);
return str;
}
int main()
{
sample ob;
// Присваиваем объект, возвращаемый
// функцией input(), объекту ob.
ob = input(); // Эта инструкция генерирует ошибку!!!!
ob.show(); // Отображение "мусора".
return 0;
}
Результаты выполнения этой программы выглядят таким образом.
Введите строку: Привет
Освобождение s-памяти.
Освобождение s-памяти.
Здесь мусор
Освобождение s-памяти.

Обратите внимание на то, что деструктор класса sample вызывается три раза! В первый раз он вызывается при выходе локального объекта str из области видимости в момент возвращения из функции input(). Второй вызов деструктора ~sample() происходит тогда, когда разрушается временный объект, возвращаемый функцией input(). Когда функция возвращает объект, автоматически генерируется невидимый (для вас) временный объект, который хранит возвращаемое значение. В данном случае этот объект просто представляет собой побитовую копию объекта str, который является значением, возвращаемым из функции. Следовательно, после возвращения из функции выполняется деструктор временного объекта. Поскольку область памяти, выделенная для хранения строки, вводимой пользователем, уже была освобождена (причем дважды!), при вызове функции show() на экран выведется "мусор". (Вы можете не увидеть вывод на экран "мусора". Это зависит от того, как ваш компилятор реализует динамическое выделение памяти. Однако ошибка все равно здесь присутствует.) Наконец, по завершении программы вызывается деструктор объекта ob (в функции main()). Ситуация здесь осложняется тем, что при первом вызове деструктора освобождается память, выделенная для хранения строки, получаемой функцией input(). Таким образом, само по себе плохо не только то, что остальные два обращения к деструктору класса sample попытаются освободить уже освобожденную область динамически выделяемой памяти, но они также могут разрушить систему динамического распределения памяти.

Здесь важно понимать, что при возврате объекта из функции для временного объекта, хранящего возвращаемое значение, будет вызван его деструктор. Поэтому следует избегать возврата объектов в ситуациях, когда это может иметь пагубные последствия. Для решения этой проблемы вместо возврата объекта из функции используется возврат указателя или ссылки на объект. Но это не всегда осуществимо. Еще один способ решения этой проблемы включает использование конструктора копии, которому посвящен следующий раздел.

Создание и использование конструктора копии

Одним из самых важных форматов перегруженного конструктора является конструктор копии. Как было показано в предыдущих примерах, при передаче объекта функции или возврате объекта из функции могут возникать проблемы. В этом разделе вы узнаете, что один из способов избежать этих проблем состоит в определении конструктора копии, который представляет собой специальный тип перегруженного конструктора.

Для начала еще раз сформулируем проблемы, для решения которых мы хотим определить конструктор копии. При передаче объекта функции создается побитовая (т.е. точная) копия этого объекта, которая передается параметру этой функции. Однако возможны ситуации, когда такая идентичная копия нежелательна. Например, если оригинальный объект содержит указатель на выделяемую динамически память, то и указатель, принадлежащий копии, также будет ссылаться на ту же область памяти. Следовательно, если копия внесет изменения в содержимое этой области памяти, эти изменения коснутся также оригинального объекта! Более того, при завершении функции копия будет разрушена (с вызовом деструктора). Это может нежелательным образом сказаться на исходном объекте.

Аналогичная ситуация возникает при возврате объекта из функции. Компилятор генерирует временный объект, который будет хранить копию значения, возвращаемого функцией. (Это делается автоматически, и без нашего на то согласия.) Этот временный объект выходит за пределы области видимости сразу же, как только инициатору вызова этой функции будет возвращено "обещанное" значение, после чего незамедлительно вызывается деструктор временного объекта. Но если этот деструктор разрушит что-либо нужное для выполняемого далее кода, последствия будут печальны.

Конструктор копии позволяет управлять действиями, составляющими процесс создания копии объекта.

В сердцевине рассматриваемых проблем лежит создание побитовой копии объекта. Чтобы предотвратить их возникновение, необходимо точно определить, что должно происходить, когда создается копия объекта, и тем самым избежать нежелательных побочных эффектов. Этого можно добиться путем создания конструктора копии.

Прежде чем подробнее знакомиться с использованием конструктора копии, важно понимать, что в C++ определено два отдельных вида ситуаций, в которых значение одного объекта передается другому. Первой такой ситуацией является присваивание, а второй — инициализация. Инициализация может выполняться тремя способами, т.е. в случаях, когда: ■ один объект явно инициализирует другой объект, как, например, в объявлении;
■ копия объекта передается параметру функции;
■ генерируется временный объект (чаще всего в качестве значения, возвращаемого функцией).

Конструктор копии применяется только к инициализациям. Он не применяется к присваиваниям.

Узелок на память. Конструкторы копии не оказывают никакого влияния на операции присваивания

Конструктор копии вызывается в случае, когда один объект инициализирует другой. Вот как выглядит самый распространенный формат конструктора копии.


имя_класса (const имя_класса &obj) {
// тело конструктора
}

Здесь элемент obj означает ссылку на объект, которая используется для инициализации другого объекта. Например, предположим, у нас есть класс myclass и объект y типа myclass, тогда при выполнении следующих инструкций будет вызван конструктор копии класса myclass. 


myclass х = у; // Объект у явно инициализирует объект x
х.func1(у); // Объект у передается в качестве аргумента.
у = func2(); // Объект у принимает объект, возвращаемый
функцией.

В первых двух случаях конструктору копии будет передана ссылка на объект у, а в третьем — ссылка на объект, возвращаемый функцией func2().

Чтобы глубже понять назначение конструкторов копии, рассмотрим подробнее их роль в каждой из этих трех ситуаций.

Конструкторы копии и параметры функции

При передаче объекта функции в качестве аргумента создается копия этого объекта. Если в классе определен конструктор копии, то именно он и вызывается для создания копии. Рассмотрим программу, в которой используется конструктор копии для надлежащей обработки объектов типа myclass при их передаче функции в качестве аргументов. (Ниже приводится корректная версия некорректной программы, представленной выше) 


// Использование конструктора копии для
// определения параметра.
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
class myclass {
int *p;
public:
myclass(int i); // обычный конструктор
myclass(const myclass &ob); // конструктор копии
~myclass();
int getval() { return *p; }
};
// Конструктор копии.
myclass::myclass(const myclass &obj)
{
p = new int;
*p = *obj.p; // значение копии
cout << "Вызван конструктор копии.\n";
}
// Обычный конструктор.
myclass::myclass(int i)
{
cout << "Выделение памяти, адресуемой указателем p.\n";
р = new int;
*p = i;
}
myclass::~myclass()
{
cout <<"Освобождение памяти, адресуемой указателем p.\n";
delete p;
}
// Эта функция принимает один объект-параметр.
void display(myclass ob)
{
cout << ob.getval() << '\n';
}
int main()
{
myclass a(10);
display(a);
return 0;
}
Эта программа генерирует такие результаты.
Выделение памяти, адресуемой указателем р.
Вызван конструктор копии.
10
Освобождение памяти, адресуемой указателем р.
Освобождение памяти, адресуемой указателем р.

При выполнении этой программы здесь происходит следующее: когда в функции main() создается объект а, "стараниями" обычного конструктора выделяется память, и адрес этой области памяти присваивается указателю а.р. Затем объект а передается функции display(), а именно— ее параметру ob. В этом случае вызывается конструктор копии, который создает копию объекта а. Конструктор копии выделяет память для этой копии, а значение указателя на выделенную область памяти присваивает члену р объекта-копии. Затем значение, адресуемое указателем р исходного объекта, записывается в область памяти, адрес которой хранится в указателе р объекта-копии. Таким образом, области памяти, адресуемые указателями а.р и ob.р, раздельны и независимы одна от другой, но хранимые в них значения (на которые указывают а.р и ob.р) одинаковы. Если бы конструктор копии не был определен, то в результате создания по умолчанию побитовой копии члены а.р и ob.р указывали бы на одну и ту же область памяти.

По завершении функции display() объект ob выходит из области видимости. Этот выход сопровождается вызовом его деструктора, который освобождает область памяти, адресуемую указателем ob.р. Наконец, по завершении функции main() выходит из области видимости объект а, что также сопровождается вызовом его деструктора и соответствующим освобождением области памяти, адресуемой указателем а.р. Как видите, использование конструктора копии устраняет деструктивные побочные эффекты, связанные с передачей объекта функции.

Использование конструкторов копии при инициализации объектов

Конструктор копии также вызывается в случае, когда один объект используется для инициализации другого. 


Рассмотрим следующую простую программу.
// Вызов конструктора копии для инициализации объекта.
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
class myclass {
int *p;
public:
myclass(int i); // обычный конструктор
myclass(const myclass &ob); // конструктор копии
~myclass();
int getval() { return *p; }
};
// Конструктор копии.
myclass::myclass(const myclass &ob)
{
p = new int;
*p = *ob.p; // значение копии
cout << "Выделение p-памяти конструктором копии.\n";
}
// Обычный конструктор.
myclass::myclass(int i)
{
cout << "Выделение p-памяти обычным конструктором.\n";
р = new int;
*р = i;
}
myclass::~myclass()
{
cout << "Освобождение р-памяти.\n";
delete p;
}
int main()
{
myclass a(10); // Вызывается обычный конструктор.
myclass b = a; // Вызывается конструктор копии.
return 0;
}
Результаты выполнения этой программы таковы.
Выделение p-памяти обычным конструктором.
Выделение p-памяти конструктором копии.
Освобождение р-памяти.
Освобождение р-памяти.

Как подтверждают результаты выполнения этой программы, при создании объекта а вызывается обычный конструктор. Но когда объект а используется для инициализации объекта b, вызывается конструктор копии. Использование конструктора копии гарантирует, что объект b выделит для своих членов данных собственную область памяти. Без конструктора копии объект b попросту представлял бы собой точную копию объекта а, а член а.р указывал бы на ту же самую область памяти, что и член b.р.

Следует иметь в виду, что конструктор копии вызывается только в случае выполнения инициализации. Например, следующая последовательность инструкций не вызовет конструктор копии, определенный в предыдущей программе:


myclass а(2), b(3);
// ...
b = а;
Здесь инструкция b = а выполняет операцию присваивания, а не операцию копирования.

Использование конструктора копии при возвращении функцией объекта

Конструктор копии также вызывается при создании временного объекта, который является результатом возвращения функцией объекта. Рассмотрим следующую короткую программу.


/* Конструктор копии вызывается в результате создания временного
объекта в качестве значения, возвращаемого функцией.
*/
#include <iostream>
using namespace std;
class myclass {
public:
myclass() { cout << "Обычный конструктор.\n"; }
myclass(const myclass &obj) {cout << "Конструктор копии.\n";
}
};
myclass f()
{
myclass ob; // Вызывается обычный конструктор.
return ob; // Неявно вызывается конструктор копии.
}
int main()
{
myclass a; // Вызывается обычный конструктор.
а = f(); // Вызывается конструктор копии.
return 0;
}
Эта программа генерирует такие результаты.
Обычный конструктор.
Обычный конструктор.
Конструктор копии.

Здесь обычный конструктор вызывается дважды: первый раз при создании объекта а в функции main(), второй — при создании объекта ob в функции f(). Конструктор копии вызывается в момент, когда генерируется временный объект в качестве значения, возвращаемого из функции f().

Хотя "скрытые" вызовы конструкторов копии могут отдавать мистикой, нельзя отрицать тот факт, что практически каждый класс в профессионально написанных программах содержит явно определенный конструктор копии, без которого не избежать побочных эффектов, возникающих в результате создания по умолчанию побитовых копий объекта.

Конструкторы копии — а нельзя ли найти что-то попроще?

Как уже неоднократно упоминалось в этой книге, C++ — очень мощный язык. Он имеет множество средств, которые наделяют его широкими возможностями, но при этом его можно назвать сложным языком. Конструкторы копии представляют собой механизм, на который ссылаются многие программисты как на основной пример сложности языка, поскольку это средство не воспринимается на интуитивном уровне. Начинающие программисты часто не понимают, почему так важен конструктор копии. Для многих не сразу становится очевидным ответ на вопрос: когда нужен конструктор копии, а когда — нет. Эта ситуация часто выражается в такой форме: "А не существует ли более простого способа?". Ответ также непрост: и да, и нет!

Такие языки, как Java и С#, не имеют конструкторов копии, поскольку ни в одном из них не создаются побитовые копии объектов. Дело в том, что как Java, так и C# динамически выделяют память для всех объектов, а программист оперирует этими объектами исключительно через ссылки. Поэтому при передаче объектов в качестве параметров функции или при возврате их из функций в копиях объектов нет никакой необходимости.

Тот факт, что ни Java, ни C# не нуждаются в конструкторах копии, делает эти языки проще, но за простоту тоже нужно платить. Работа с объектами исключительно посредством ссылок (а не напрямую, как в C++) налагает ограничения на тип операций, которые может выполнять программист. Более того, такое использование объектных ссылок в Java и C# не позволяет точно определить, когда объект будет разрушен. В C++ же объект всегда разрушается при выходе из области видимости.

Язык C++ предоставляет программисту полный контроль над ситуациями, складывающимися в программе, поэтому он несколько сложнее, чем Java и С#. Это — цена, которую мы платим за мощность программирования.