《深入探索C++对象模型》第二章构造函数语义学(The Semantics of Constructors)

一、default constructor的构造操作

先看一个小例子：

class Foo { public: int val; Foo *pnext; };

此处正确的程序语意是要求Foo有一个默认构造函数，能将它的两个成员初始化为0，那么编译器会为我们合成这样的默认构造函数吗？答案是不会！(事实上，这里合成的默认构造函数是trival的构造函数，也就是它什么也不干，连初始化也不干。在概念上我们把这种构造函数叫做implicit trival default constructors，但实际上这种构造函数根本不会被合成出来)。这是因为初始化成员是程序的需要，而不是编译器的需要，本例中要承担成员初始化责任的是设计者。

在四种情况下，non-trival default constructor会被编译器合成出来，下面一一讨论这四种情况。

1. 带有Default constructor的Member Class Object

如果一个class没有任何constructor，但它内含一个member object，而后者有default constructor，那么编译器就需要为该class合成出一个default constructor，不过这个合成操作只有在constructor真正需要被调用时才会发生。

这就引出一个问题，在C++的各个不同的文件中，编译器如何避免合成出多个default constructor？解决办法是把合成的default constructor、copy constructor、deconstructor，copy assignment operator都以inline方式完成，一个inline函数具有静态链接，不会被文件以外者看到。如果函数太复杂不适合做成inline，就会合成出一个explicit non-inline static实例。(这一段没太明白)

下面是一个小例子：

class Foo { public: Foo(), Foo(int) ... };
class Bar { public: Foo foo; char *str; };void foo_bar()
{Bar bar;   //Bar::foo在这里必须被初始化if( str ) { }...
}

在本例中，编译器将为class Bar合成一个default constructor，内含必要的代码，能够调用class Foo的default constructor来处理member object Bar::foo，但是要注意，这个default constructor依然不会负责str的初始化！

但是如果class Bar已经有了构造函数，那么编译器会怎么做呢？由于Bar有构造函数，所以编译器不能再为class Bar合成一个默认构造函数。编译器的做法是：如果class A内含一个或一个以上的member class objects，那么class A的每一个constructor必须调用每一个member class的default constructor。编译器会扩张已存在的constructors，在其中安插一些代码，使得user code被执行之前，先调用必要的default constructors。值得注意的是，调用的default constructor的顺序和member objects在class中的声明顺序相同。看下面这个例子：

class Dopey { public: Dopey(); ... };
class Sneezy { public: Sneezy( int ); Sneezy(); ... };
class Bashful { public: Bashful(); ... };class Snow_White{
public:Dopey dopey;Sneezy sneezy;Bashful bashful;
private:int mumble;
};// Snow_White 包含dopey，sneezy，bashful三个类的对象成员

假设class Snow_white有这样的构造函数：

Snow_White::Snow_White() : sneezy( 1024 )
{mumble = 2048;
}

那么它会被编译器扩张为：

Snow_White::Snow_White() : sneezy( 1024 )
{//插入member class objectsdopey.Dopey::Dopey();sneezy.Sneezy::Sneezy(1024);bashful.Bashful::Bashful();mumble = 2048;
}

值得注意的是，以上这个例子除了体现了上面的知识点外，还能看到sneezy既存在于初始化列表中，又存在于隐式构造函数的调用中，那么这两者之间有什么联系吗？这个问题将在后面的内容中回答。

2. “带有Default Constructor”的Base Class

这里默认构造函数合成的逻辑与1中很相似，因为class里面包含一个类的对象成员和class里面有一个base class的part这两种情况在内存布局上就很相似。

这里需要注意的是，如果一个class里面既有基类的部分也有类的对象成员，那么先调用基类的默认构造函数，再调用类的对象成员的默认构造函数。

3. “带有一个Virtual Function”的Class

假设一个class声明(或继承)了一个virtual function，那么以下两个扩张行动会在编译期间发生：(1) 一个virtual function table会被编译器产生出来，里面包含class的virtual functions地址。(2) 在每一个class object中，一个额外的vptr会被编译器合成出来，指向相关的class vtbl的地址。

所以编译器必须为继承体系中的每一个类的对象中的vptr设定初值。如果class定义了构造函数，那么编译器会在构造函数中安插代码做这些事情；如果class没有定义构造函数，那么编译器就会生成一个默认构造函数，用以正确地初始化每一个class object的vptr。

4. “带有一个Virtual Base Class”的Class(这一部分理解起来有点tricky)

(这一部分对构造函数影响的逻辑和3有点类似，都是因为class具有某些特性，所以编译器必须为我们多做一些事情，要么是在已有的构造函数中安插代码，要么是为我们合成一个默认构造函数。至于这个特性到底是什么，编译器需要为我们做些什么，可以抽象出来考虑。以下就来聊一聊，对于有虚基类的class，编译器需要额外做点什么。)

virtual base class的实现法在不同编译器之间有着极大的差异。然而，每一种实现法的共同点在于必须使virtual base class在其每一个derived class object中的位置，能够于执行期准备妥当。看以下这个例子：

class X { public: int i; };
class A : public virtual X { public: int j; };
class B : public virtual X { public: double d; };
class C : public A, public B { public: int k; };void foo( const A* pa ) { pa->i = 1024 };

编译器在编译期间无法确定经由pa存取的X::i的实际偏移位置，因为pa的实际类型可以改变，所以编译器必须改变执行存取操作的那些代码，从而使X::i延迟到执行期再确定下来。

二、Copy Constructor的构造操作

什么时候会调用一个类的拷贝构造函数呢？当使用一个类的对象对另一个类的对象进行初始化时。

1. Default Memberwise Initialization

当class object以相同class的另一个object作为初值，且class没有提供一个显式的拷贝构造函数时，其内部是以所谓的“逐成员初始化”来完成的，也就是把每一个内建的或派生的data member的值，从一个object拷贝一份到另一个object身上。不过它并不会拷贝其中的member class object，而是以递归的形式实行“逐成员初始化”。

合成默认拷贝构造函数的逻辑和合成默认构造函数的逻辑是类似的，也分为trivial和non-trivial两种，像只有逐成员初始化这种就是trivial的，只有non-trivial的实例才会被合成于程序之中。那么怎么判断是否trivial的情况呢？这取决于class是否展现出所谓的“bitwise copy semantics(位逐次拷贝)”

2. Bitwise Copy Semantics

在以下4中情况下，一个class不展现出“bitwise copy semantics”

(1) 当class内含一个member object而后者的class声明有一个copy constructor时，不论是被class设计者显式地声明还是被编译器合成(也就是说，递归地执行逐成员初始化这种情况也是non-trivial的？)

(2) 当class继承自一个base class而后者存在一个copy constructor(再次强调，无论是显式声明还是被编译器合成)

(3) 当class声明了一个或多个virtual function时

(4) 当class派生自一个继承串链，其中有一个或多个virtual base class时

接下来重点讨论情况(3)和(4)

3. 重新设定virtual table的指针

如果编译器对于每一个新产生的class object的vptr不能成功且正确地设好初值，将导致可怕的后果，所以当编译器导入一个vptr到class之中时，class就不再呈现出bitwise semantics了。

所以在这种情况下，编译器会合成default copy constructor，指定object的vptr指向正确class的virtual table。因为copy constructor的参数是一个引用，所以也可能是派生类的类型。

4. 处理Virtual Base Class Subobject

一个class object如果以另一个object作为初值，而后者有一个virtual base class subobject，那么也会使bitwise semantics失效。

当用相同class的object初始化另一个object时，bitwise copy是足够使用的，但是如果使用派生类的object初始化基类的object时，编译器就必须合成一个copy constructor，安插一些代码以设定virtual base class pointer/offset 的初值，对每一个member执行必要的memberwise初始化，以及执行其他的内存相关工作。

这里还存在一个有趣的问题：当一个初始化操作存在并保持着bitwise copy semantics时，编译器是否应该抑制copy constructor的调用？下一个部分会专门讨论一下这个问题。

三、程序转化语意学(Program Transformation Semantics)

(这部分内容不做总结)

四、成员们的初始化队伍(Member Initialization List)

在下列4中情况下，为了保证程序正确编译，必须使用member initialization list：

(1) 初始化一个reference member时

(2) 初始化一个const member时

(3) 当调用一个base class的constructor，而它拥有一组参数时

(4) 当调用一个member class的constructor，而它拥有一组参数时

除这4种情况之外，如果不使用member initialization list也可以正确编译，但是效率不高，比如：

class Word{String _name;int _cnt;public:Word(){_name = 0;_cnt = 0;}
}

这里Word的构造函数会先产生一个临时的String对象，然后将它初始化，之后以一个赋值运算符将临时对象指定给_name，然后再销毁这个临时性对象。

成员初始化列表中到底发生了什么？编译器会一一操作初始化列表，以适当顺序在构造函数之内安插初始化操作，并且在任何explicit user code之前。并且要注意的是：成员初始化的顺序是由class中members的声明顺序决定的，不是由Initialization list中的排列顺序决定的。