极客教程C++深拷贝和浅拷贝的区别
1. 引言
在C++编程中，拷贝是常见的操作之一。在拷贝一个对象时，我们通常会遇到两种情况：深拷贝和浅拷贝。深拷贝和浅拷贝是指在拷贝对象时，是否创建一个新的对象并将原对象的值完全复制给新对象。本文将详细解释深拷贝和浅拷贝的区别，以及它们在C++中的应用和常见问题。
2. 浅拷贝
浅拷贝是指在拷贝对象时，只拷贝对象的成员变量的值，而不拷贝对象中指针所指向的数据。这意味着，原对象和拷贝对象将共享同一个内存地址，当其中一个对象修改了成员变量的值时，另一个对象也会受到影响。
下面是一个简单的示例代码，展示了浅拷贝的情况：
#include <iostream>
#include <cstring>
class ShallowCopy {
private:
char* data;
public:
ShallowCopy(const char* str) {
data = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(data, str);
}
ShallowCopy(const ShallowCopy& other) {
data = other.data;
}
void printData() {
std::cout << "Data: " << data << std::endl;
}
~ShallowCopy() {
delete[] data;
}
};
int main() {
ShallowCopy obj1("Hello");
ShallowCopy obj2 = obj1;
obj1.printData(); // 输出：Data: Hello
obj2.printData(); // 输出：Data: Hello
obj1.~ShallowCopy();
obj2.printData(); // 输出：Data: // 不可预测的结果，data指针被释放
return 0;
}
在上述代码中，我们定义了一个ShallowCopy类，其中包含一个char*类型的成员变量data。在构造函数中，我们动态分配内存来存储传入的字符串值。由于我们没有定义自己的拷贝构造函数，编译器将为我们生成一个默认的浅拷贝构造函数。在main函数中，我们首先创建了一个obj1对象，并将字符串"Hello"传入构造函数。然后，我们通过拷贝构造函数将obj1复制给了obj2。
在输出中，我们可以看到，obj1和obj2的data成员变量指向同一块内存地址，因此它们共享同一个值。当我们销毁obj1时，它的析构函数释放了data指针所指向的内存，导致obj2的data指针成为空悬指针，这可能导致不可预测的行为。
因此，浅拷贝的问题在于共享内存地址可能会导致悬垂指针和内存访问错误。这是一个潜在的bug来源，需要小心使用。
3. 深拷贝
深拷贝是指在拷贝对象时，创建一个新的对象，并将原对象的值完全复制给新对象。这意味着，原对象和拷贝对象拥有各自独立的内存空间，彼此之间互不影响。
下面是一个示例代码，展示了深拷贝的情况：
#include <iostream>
#include <cstring>
class DeepCopy {
private:
char* data;
public:
DeepCopy(const char* str) {
data = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(data, str);
}
DeepCopy(const DeepCopy& other) {
data = new char[strlen(other.data) + 1];
strcpy(data, other.data);
}
void printData() {
std::cout << "Data: " << data << std::endl;
}
~DeepCopy() {
delete[] data;
}
};
int main() {
DeepCopy obj1("Hello");
DeepCopy obj2 = obj1;
obj1.printData(); // 输出：Data: Hello
obj2.printData(); // 输出：Data: Hello
obj1.~DeepCopy();
obj2.printData(); // 输出：Data: Hello，深拷贝不会受到影响
return 0;
}
在上述代码中，我们在DeepCopy类的拷贝构造函数中，为新对象的data成员变量分配了新的内存，并将原对象的值复制过来。这样，obj1和obj2将分别拥有自己独立的内存空间，互不干扰。当我们析构obj1时，obj2的data指针依然指向它自己的内存空间，不会受到影响。
深拷贝可以确保在拷贝对象时，每个对象都有自己独立的内存空间，避免了悬垂指针和内存访问错误的问题。
4. 自定义拷贝构造函数
在C++中，我们可以根据需要自定义拷贝构造函数，以实现自己的拷贝逻辑。这在处理动态分配内存、指针等情况下特别有用。
下面是一个示例代码，展示了如何自定义拷贝构造函数并实现深拷贝：
#include <iostream>
#include <cstring>
class CustomCopy {
private:
char* data;
int size;
public:
CustomCopy(const char* str) {
data = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(data, str);
size = strlen(str) + 1;
}
CustomCopy(const CustomCopy& other) {
data = new char[other.size];
strcpy(data, other.data);
size = other.size;
}
void printData() {
std::cout << "Data: " << data << std::endl;
}
~CustomCopy() {
delete[] data;
}
};
int main() {
CustomCopy obj1("Hello");
CustomCopy obj2 = obj1;
obj1.printData(); // 输出：Data: Hello
obj2.printData(); // 输出：Data: Hello
obj1.~CustomCopy();
obj2.printData(); // 输出：Data: Hello，自定义拷贝构造函数实现了深拷贝
return 0;
}
在上述代码中，我们添加了一个新的成员变量size来存储字符串的长度，以避免在拷贝时重新计算长度。我们自定义了拷贝构造函数，为新对象的data成员变量分配新的内存，并复制数据。同时，我们还需要复制size成员变量的值。
5.常见问题和注意事项
5.1. 对象销毁
在使用深拷贝和浅拷贝时，需要注意对象的销毁。对于深拷贝，每个对象都有自己独立的内存空间，因此在销毁对象时需要手动释放分配的内存。而对于浅拷贝，多个对象共享同一块内存，销毁其中一个对象可能导致其他对象的成员变量指针成为空悬指针，这是一种未定义行为。
5.2. 动态分配内存
当对象包含指针成员变量，并且需要进行拷贝操作时，需要特别小心动态分配的内存。确保在拷贝构造函数中分配新的内存，并复制原指针所指向的数据。同时，在析构函数中释放动态分配的内存，避免内存泄漏。
5.3. 拷贝赋值运算符
拷贝构造函数用于在创建对象时进行拷贝，而拷贝赋值运算符（=）用于在对象已经存在的情况下进行拷贝。如果没有自定义拷贝赋值运算符，编译器将为我们生成一个默认的浅拷贝版本。因此，在使用拷贝赋值运算符时，需要注意是否需要进行深拷贝。
5.4. 深拷贝和浅拷贝的选择
选择深拷贝还是浅拷贝取决于实际需求。如果对象包含动态分配的内存、指针等需要独立管理的资源，或者需要多个对象拥有相同的数据但不希望相互影响，那么深拷贝是更好的选择。而如果对象的成员变量较为简单，或者希望多个对象共享同一块内存地址，那么浅拷贝可能更加高效。
5.5. C++11的移动语义
在C++11以后的标准中，引入了移动语义（move semantics）的概念，可以在一定程度上避免拷贝操作的开销。移动语义允许将资源（如动态分配的内存）从一个对象转移到另一个对象，而无需进行深拷贝。这在处理大容器、字符串等情况下特别有用。通过移动语义，可以获得更高的性能和效率。
可以通过定义移动构造函数和移动赋值运算符来实现移动语义。通过右值引用（&&）来标识移动语义。
CustomCopy(CustomCopy&& other) {
data = other.data;
size = other.size;
other.data = nullptr;
}
移动构造函数将转移赋值对象的资源，并将原对象的指针设置为空，以确保原对象不再拥有这些资源。移动赋值运算符的定义类似。
移动语义可以在适当的情况下提高程序的性能，减少不必要的拷贝操作。然而，需要注意在移动资源后，原对象的状态已经改变，可能会产生副作用。
6. 结论
深拷贝和浅拷贝是C++中常见的拷贝方式，它们的区别在于是否创建新的对象并复制数据。深拷贝确保每个对象拥有自己独立的内存空间，避免了悬垂指针和内存访问错误。而浅拷贝共享同一块内存，可能导致悬垂指针和未定义行为。
在使用拷贝构造函数和拷贝赋值运算符时，需要根据实际需求选择是否进行深拷贝。同时，需要小心处理动态分配内存和对象的销毁，避免内存泄漏和悬垂指针的问题。
在C++11以后的标准中，引入了移动语义的概念，可以在一定程度上提高性能和效率。使用移动语义可以避免不必要的拷贝操作，通过转移资源来获得更高的性能。移动语义需要定义移动构造函数和移动赋值运算符，通过右值引用来标识移动语义。
深拷贝和浅拷贝都有各自的优缺点，根据实际需求选择适当的方式，从而在程序中确保对象之间的独立性和正确性。在处理动态分配内存、指针等情况下，特别需要小心使用，并确保正确处理资源的拷贝和释放。