面试题：C++中编译器自动生成的缺省函数之拷贝构造函数

Question

请详细说明C++编译器自动生成的拷贝构造函数的工作原理，以及在什么情况下需要手动实现拷贝构造函数以避免潜在的问题，举例说明。

Answer 1

C++编译器自动生成的拷贝构造函数工作原理

1. 浅拷贝：当没有定义拷贝构造函数时，C++编译器会自动生成一个默认的拷贝构造函数。它的工作方式是进行成员变量的逐字节拷贝。对于基本数据类型（如int、double等），这意味着直接复制值。对于类类型的成员变量，会调用其对应的拷贝构造函数（如果存在），同样是逐字节拷贝。例如：

class Example {
public:
    int value;
};
Example obj1;
obj1.value = 10;
Example obj2(obj1); // 调用自动生成的拷贝构造函数，obj2.value 也为10

2. 位拷贝：本质上，自动生成的拷贝构造函数是对对象在内存中的二进制表示进行拷贝，不会区分对象内部数据成员的含义，只是简单地复制内存块。

需要手动实现拷贝构造函数的情况

1. 资源管理：当类中包含指针成员，并且该指针指向动态分配的资源（如堆内存）时，自动生成的拷贝构造函数的浅拷贝会导致问题。因为多个对象会指向同一块内存，当其中一个对象析构释放了该内存，其他对象就会成为野指针，导致程序崩溃。例如：

class String {
public:
    char* str;
    int length;
    String(const char* s) {
        length = strlen(s);
        str = new char[length + 1];
        strcpy(str, s);
    }
    ~String() {
        delete[] str;
    }
};
// 此时如果使用自动生成的拷贝构造函数
String s1("Hello");
String s2(s1); // s1和s2的str指向同一块内存
s1.~String(); // s1析构，释放内存
// s2的str此时成为野指针，再访问s2.str会导致未定义行为

2. 避免共享资源：有些情况下，对象内部的资源是不应该被多个对象共享的，比如文件描述符。如果使用自动生成的拷贝构造函数进行浅拷贝，多个对象将共享同一个文件描述符，这可能导致文件操作的混乱。例如：

class FileHandler {
public:
    FILE* file;
    FileHandler(const char* filename) {
        file = fopen(filename, "r");
    }
    ~FileHandler() {
        if (file) fclose(file);
    }
};
// 使用自动生成的拷贝构造函数
FileHandler f1("test.txt");
FileHandler f2(f1); // f1和f2共享同一个文件描述符
// 如果f1关闭文件，f2的file就成为无效的，后续对f2的操作会出错

手动实现拷贝构造函数示例

以String类为例，手动实现拷贝构造函数：

class String {
public:
    char* str;
    int length;
    String(const char* s) {
        length = strlen(s);
        str = new char[length + 1];
        strcpy(str, s);
    }
    // 手动实现拷贝构造函数
    String(const String& other) {
        length = other.length;
        str = new char[length + 1];
        strcpy(str, other.str);
    }
    ~String() {
        delete[] str;
    }
};

在这个手动实现的拷贝构造函数中，为新对象分配了独立的内存空间，并复制了字符串内容，避免了浅拷贝带来的问题。