面试题：C++ 中拷贝构造函数性能优化之浅拷贝与深拷贝

Question

请解释在 C++ 中浅拷贝和深拷贝的区别，并说明在什么场景下使用深拷贝来优化拷贝构造函数的性能，同时请给出一个浅拷贝可能导致问题的示例代码，并将其修改为深拷贝以解决问题。

Answer 1

浅拷贝和深拷贝的区别

1. 浅拷贝：
   • 浅拷贝只是简单地复制对象的成员变量的值。对于指针类型的成员变量，浅拷贝会使多个对象的指针指向同一块内存地址。
   • 当对象被销毁时，如果多个对象的指针指向同一块内存，可能会导致内存重复释放（double - free）问题，同时也可能在对象生命周期管理上出现混乱。
2. 深拷贝：
   • 深拷贝不仅复制对象的成员变量的值，对于指针类型的成员变量，会重新分配一块新的内存，并将原指针所指向内存的内容复制到新分配的内存中。这样每个对象都有自己独立的内存空间，避免了内存重复释放等问题。

使用深拷贝优化拷贝构造函数性能的场景

当类中包含动态分配的资源（如指针指向的堆内存），并且希望在拷贝对象时，每个对象都拥有自己独立的资源副本，而不是共享资源时，就需要使用深拷贝来优化拷贝构造函数。例如，当一个类表示一个字符串，其内部使用动态分配的字符数组来存储字符串内容时，使用深拷贝可以确保每个拷贝对象都有自己独立的字符串副本，在对象生命周期内可以安全地操作字符串，而不会影响其他对象。

浅拷贝可能导致问题的示例代码

#include <iostream>
#include <cstring>

class String {
public:
    char* str;
    int length;
    String(const char* s) {
        length = strlen(s);
        str = new char[length + 1];
        strcpy(str, s);
    }
    // 这里默认的拷贝构造函数是浅拷贝
    String(const String& other) {
        length = other.length;
        str = other.str;
    }
    ~String() {
        delete[] str;
    }
};

int main() {
    String s1("Hello");
    String s2(s1);
    return 0;
}

在上述代码中，String 类默认的拷贝构造函数是浅拷贝。当 s2 通过拷贝 s1 创建时，s1.str 和 s2.str 指向同一块内存。当 s1 和 s2 先后被销毁时，str 所指向的内存会被重复释放，导致程序崩溃。

修改为深拷贝的代码

#include <iostream>
#include <cstring>

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

int main() {
    String s1("Hello");
    String s2(s1);
    return 0;
}

在修改后的代码中，深拷贝构造函数为 str 重新分配了内存，并将 other.str 的内容复制到新分配的内存中，这样 s1 和 s2 拥有各自独立的字符串副本，避免了浅拷贝带来的内存重复释放问题。