C++构造函数调用顺序对程序的影响
2023-04-308.0k 阅读
C++ 构造函数调用顺序的基础知识
单一类中的构造函数调用
在 C++ 中，当定义一个类时，构造函数用于初始化对象的数据成员。如果一个类只有一个构造函数，其调用过程相对简单。例如：
#include <iostream>
class SimpleClass {
public:
int value;
SimpleClass() {
value = 0;
std::cout << "SimpleClass constructor called. value initialized to " << value << std::endl;
}
};
int main() {
SimpleClass obj;
return 0;
}
在上述代码中，SimpleClass 类有一个默认构造函数。当在 main 函数中创建 obj 对象时，构造函数被调用，value 被初始化为 0，并输出相应的信息。
包含成员对象的类的构造函数调用顺序
当一个类包含其他类的对象作为成员时，构造函数的调用顺序遵循特定规则。成员对象的构造函数会在包含它们的类的构造函数体执行之前被调用。并且，成员对象按照它们在类中声明的顺序被构造。
#include <iostream>
class MemberClass {
public:
MemberClass() {
std::cout << "MemberClass constructor called." << std::endl;
}
};
class OuterClass {
MemberClass member1;
MemberClass member2;
public:
OuterClass() {
std::cout << "OuterClass constructor body starts." << std::endl;
}
};
int main() {
OuterClass outer;
return 0;
}
在这段代码中，OuterClass 包含两个 MemberClass 类型的成员 member1 和 member2。当创建 outer 对象时，member1 的构造函数先被调用，接着是 member2 的构造函数，最后 OuterClass 的构造函数体开始执行。输出结果为：
MemberClass constructor called.
MemberClass constructor called.
OuterClass constructor body starts.
继承体系下的构造函数调用顺序
在继承关系中，构造函数的调用顺序也有明确规定。首先调用基类的构造函数，然后按照声明顺序调用派生类中的成员对象的构造函数，最后执行派生类自身的构造函数体。
#include <iostream>
class BaseClass {
public:
BaseClass() {
std::cout << "BaseClass constructor called." << std::endl;
}
};
class DerivedClass : public BaseClass {
MemberClass member;
public:
DerivedClass() {
std::cout << "DerivedClass constructor body starts." << std::endl;
}
};
int main() {
DerivedClass derived;
return 0;
}
在此代码中，DerivedClass 继承自 BaseClass 并包含一个 MemberClass 类型的成员 member。当创建 derived 对象时，BaseClass 的构造函数先被调用，接着是 member 的构造函数，最后 DerivedClass 的构造函数体开始执行。输出为：
BaseClass constructor called.
MemberClass constructor called.
DerivedClass constructor body starts.
构造函数调用顺序对程序逻辑的影响
初始化依赖关系
- 数据成员初始化依赖：在一个类中，如果数据成员之间存在初始化依赖关系，构造函数的调用顺序就至关重要。例如，假设有一个
Matrix类用于表示矩阵，它有两个数据成员rows和columns，并且matrixData数组的大小依赖于rows和columns。
#include <iostream>
#include <vector>
class Matrix {
int rows;
int columns;
std::vector<int> matrixData;
public:
Matrix(int r, int c) : rows(r), columns(c), matrixData(r * c) {
std::cout << "Matrix constructor called. Matrix initialized with " << rows << " rows and " << columns << " columns." << std::endl;
}
};
int main() {
Matrix m(3, 4);
return 0;
}
在上述代码中，matrixData 的初始化依赖于 rows 和 columns。由于构造函数初始化列表按照成员声明顺序初始化成员，所以 rows 和 columns 会先被初始化，然后 matrixData 才能正确地根据 rows 和 columns 的值进行初始化。如果初始化顺序错误，可能会导致未定义行为，比如 matrixData 分配了错误大小的内存。
- 成员对象初始化依赖：当一个类包含多个成员对象，且这些成员对象之间存在初始化依赖关系时，构造函数调用顺序同样重要。考虑一个
Database类，它包含一个Connection对象用于建立数据库连接，以及一个QueryExecutor对象用于执行数据库查询。QueryExecutor的初始化可能依赖于Connection已经成功建立连接。
#include <iostream>
class Connection {
public:
Connection() {
std::cout << "Connection established." << std::endl;
}
};
class QueryExecutor {
Connection& conn;
public:
QueryExecutor(Connection& c) : conn(c) {
std::cout << "QueryExecutor initialized with an existing connection." << std::endl;
}
};
class Database {
Connection conn;
QueryExecutor executor;
public:
Database() : executor(conn) {
std::cout << "Database constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
Database db;
return 0;
}
在这个例子中，Database 类的 executor 成员对象依赖于 conn 成员对象已经被构造。由于成员对象按照声明顺序构造，conn 会先被构造，然后 executor 可以依赖已建立的 conn 连接进行初始化。如果声明顺序颠倒，executor 可能会尝试使用未初始化的 conn，导致程序出错。
资源管理与生命周期
- 内存资源管理：在涉及动态内存分配的类中，构造函数调用顺序与内存资源的正确管理密切相关。例如，一个
String类用于管理字符串，它在构造函数中分配内存来存储字符串内容。
#include <iostream>
#include <cstring>
class String {
char* str;
int length;
public:
String(const char* s) {
length = std::strlen(s);
str = new char[length + 1];
std::strcpy(str, s);
std::cout << "String constructor called. String: " << str << std::endl;
}
~String() {
delete[] str;
std::cout << "String destructor called." << std::endl;
}
};
class Container {
String s1;
String s2;
public:
Container() : s1("Hello"), s2("World") {
std::cout << "Container constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
Container c;
return 0;
}
在 Container 类中，s1 和 s2 是 String 类型的成员对象。构造函数按照声明顺序调用 s1 和 s2 的构造函数，分别为它们分配内存。当 Container 对象被销毁时，析构函数按照与构造函数相反的顺序调用 s2 和 s1 的析构函数，释放内存。如果构造函数调用顺序错误，可能导致内存泄漏，比如先构造 s2 但后构造 s1 且 s1 的构造函数抛出异常，s2 已分配的内存可能无法正确释放。
- 其他资源管理（如文件句柄、网络连接等）：类似地，对于其他类型的资源，如文件句柄或网络连接，构造函数调用顺序影响资源的正确获取和释放。假设有一个
FileProcessor类，它需要打开两个文件进行读写操作。
#include <iostream>
#include <fstream>
class File {
std::fstream file;
const char* filename;
public:
File(const char* name) : filename(name) {
file.open(filename, std::ios::in | std::ios::out);
if (!file) {
std::cerr << "Failed to open file: " << filename << std::endl;
} else {
std::cout << "File " << filename << " opened successfully." << std::endl;
}
}
~File() {
if (file.is_open()) {
file.close();
std::cout << "File " << filename << " closed." << std::endl;
}
}
};
class FileProcessor {
File inputFile;
File outputFile;
public:
FileProcessor(const char* inFile, const char* outFile) : inputFile(inFile), outputFile(outFile) {
std::cout << "FileProcessor constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
FileProcessor fp("input.txt", "output.txt");
return 0;
}
在 FileProcessor 类中，inputFile 和 outputFile 是 File 类型的成员对象。构造函数按照声明顺序调用它们的构造函数来打开文件。析构函数则按照相反顺序关闭文件。如果构造函数调用顺序不当，比如先尝试打开 outputFile 但失败，而 inputFile 已打开，可能导致 inputFile 无法正确关闭，造成资源泄漏。
复杂继承体系下构造函数调用顺序的影响
多层继承
- 构造函数调用流程：在多层继承的情况下，构造函数的调用顺序遵循从最顶层基类到最底层派生类的顺序。例如，有一个
Animal基类，Mammal类继承自Animal，Dog类继承自Mammal。
#include <iostream>
class Animal {
public:
Animal() {
std::cout << "Animal constructor called." << std::endl;
}
};
class Mammal : public Animal {
public:
Mammal() {
std::cout << "Mammal constructor called." << std::endl;
}
};
class Dog : public Mammal {
public:
Dog() {
std::cout << "Dog constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
Dog d;
return 0;
}
当创建 Dog 对象时，Animal 的构造函数先被调用，接着是 Mammal 的构造函数，最后是 Dog 的构造函数。输出结果为：
Animal constructor called.
Mammal constructor called.
Dog constructor called.
- 对初始化和行为的影响：这种调用顺序确保了对象在继承体系中的状态从基类到派生类逐步正确初始化。例如，
Animal类可能初始化一些基本的属性，如物种名称等，Mammal类可能在此基础上初始化与哺乳动物相关的属性，如是否哺乳等，Dog类再进一步初始化与狗相关的特定属性，如品种等。如果构造函数调用顺序错误，可能导致对象在不完整的状态下被使用，引发未定义行为。
多重继承
- 构造函数调用顺序：在多重继承中，构造函数的调用顺序是按照基类在派生类声明中出现的顺序。假设有
ClassA、ClassB和ClassC三个类，ClassD多重继承自ClassA、ClassB和ClassC。
#include <iostream>
class ClassA {
public:
ClassA() {
std::cout << "ClassA constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassB {
public:
ClassB() {
std::cout << "ClassB constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassC {
public:
ClassC() {
std::cout << "ClassC constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassD : public ClassA, public ClassB, public ClassC {
public:
ClassD() {
std::cout << "ClassD constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
ClassD d;
return 0;
}
在上述代码中，ClassD 的构造函数会先调用 ClassA 的构造函数，接着是 ClassB 的构造函数，最后是 ClassC 的构造函数，然后执行 ClassD 自身的构造函数体。输出结果为：
ClassA constructor called.
ClassB constructor called.
ClassC constructor called.
ClassD constructor called.
- 潜在问题与解决：多重继承下构造函数调用顺序可能带来一些潜在问题，比如菱形继承问题。考虑一个经典的菱形继承结构，
ClassA是基类，ClassB和ClassC都继承自ClassA，ClassD多重继承自ClassB和ClassC。
#include <iostream>
class ClassA {
public:
int value;
ClassA() {
value = 0;
std::cout << "ClassA constructor called. value initialized to " << value << std::endl;
}
};
class ClassB : public ClassA {
public:
ClassB() {
std::cout << "ClassB constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassC : public ClassA {
public:
ClassC() {
std::cout << "ClassC constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassD : public ClassB, public ClassC {
public:
ClassD() {
std::cout << "ClassD constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
ClassD d;
std::cout << "d.value (ambiguous access): " << d.value << std::endl;
return 0;
}
在这个例子中，由于 ClassB 和 ClassC 都继承自 ClassA，ClassD 中会有两份 ClassA 的成员 value，导致访问 d.value 时出现歧义。为了解决这个问题，可以使用虚继承。
#include <iostream>
class ClassA {
public:
int value;
ClassA() {
value = 0;
std::cout << "ClassA constructor called. value initialized to " << value << std::endl;
}
};
class ClassB : virtual public ClassA {
public:
ClassB() {
std::cout << "ClassB constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassC : virtual public ClassA {
public:
ClassC() {
std::cout << "ClassC constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassD : public ClassB, public ClassC {
public:
ClassD() {
std::cout << "ClassD constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
ClassD d;
std::cout << "d.value (resolved with virtual inheritance): " << d.value << std::endl;
return 0;
}
通过虚继承，ClassB 和 ClassC 共享一份 ClassA 的实例，避免了成员重复和访问歧义。在这种情况下，构造函数的调用顺序也会有所调整，ClassA 的构造函数会在 ClassB 和 ClassC 的构造函数之前被调用，以确保共享实例的正确初始化。
构造函数调用顺序与多态性
动态绑定与构造函数
- 动态绑定原理：在 C++ 中，动态绑定是指在运行时根据对象的实际类型来决定调用哪个虚函数。然而，构造函数不能是虚函数，这是因为在构造函数执行时，对象的实际类型还没有完全确定。例如，考虑以下代码：
#include <iostream>
class Base {
public:
virtual void print() {
std::cout << "Base::print()" << std::endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void print() override {
std::cout << "Derived::print()" << std::endl;
}
};
void callPrint(Base* ptr) {
ptr->print();
}
int main() {
Base* basePtr = new Derived();
callPrint(basePtr);
delete basePtr;
return 0;
}
在上述代码中，callPrint 函数通过基类指针调用 print 函数，由于 print 是虚函数，运行时会根据 basePtr 实际指向的对象类型（Derived）来调用 Derived::print()。
- 构造函数调用对动态绑定的影响：构造函数调用顺序在多态场景下也有重要意义。当创建一个派生类对象时，首先调用基类的构造函数，此时对象被视为基类类型。在基类构造函数执行期间，虚函数调用会解析为基类的版本。只有在整个对象构造完成后，对象才具有完整的派生类类型，虚函数调用才会按照动态绑定规则进行。例如：
#include <iostream>
class Base {
public:
Base() {
std::cout << "Base constructor called. Calling virtual function: ";
print();
}
virtual void print() {
std::cout << "Base::print()" << std::endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
Derived() {
std::cout << "Derived constructor called." << std::endl;
}
void print() override {
std::cout << "Derived::print()" << std::endl;
}
};
int main() {
Derived d;
return 0;
}
在这个例子中，当创建 Derived 对象时，先调用 Base 的构造函数。在 Base 构造函数中调用 print 函数，此时对象被视为 Base 类型，所以调用的是 Base::print()。输出结果为：
Base constructor called. Calling virtual function: Base::print()
Derived constructor called.
这表明在构造函数调用过程中，虚函数的动态绑定规则与对象完全构造后的情况不同，需要特别注意。
构造函数中的多态行为模拟
- 通过函数参数实现有限多态：虽然构造函数不能是虚函数，但可以通过函数参数来模拟一定程度的多态行为。例如，假设有一个
Shape类及其派生类Circle和Rectangle，并且Shape类有一个构造函数接受一个参数来决定创建哪种形状。
#include <iostream>
class Shape {
public:
virtual void draw() {
std::cout << "Drawing a shape." << std::endl;
}
};
class Circle : public Shape {
public:
void draw() override {
std::cout << "Drawing a circle." << std::endl;
}
};
class Rectangle : public Shape {
public:
void draw() override {
std::cout << "Drawing a rectangle." << std::endl;
}
};
class ShapeFactory {
public:
Shape* createShape(int type) {
if (type == 1) {
return new Circle();
} else if (type == 2) {
return new Rectangle();
}
return nullptr;
}
};
int main() {
ShapeFactory factory;
Shape* shape1 = factory.createShape(1);
Shape* shape2 = factory.createShape(2);
if (shape1) {
shape1->draw();
delete shape1;
}
if (shape2) {
shape2->draw();
delete shape2;
}
return 0;
}
在上述代码中，ShapeFactory 类的 createShape 函数根据传入的参数创建不同类型的 Shape 对象，实现了一定的多态效果。
- 利用模板实现更灵活的多态：模板可以在编译时实现多态，对于构造函数也有一定的应用。例如，假设有一个
Container类模板，它可以容纳不同类型的对象，并在构造函数中进行初始化。
#include <iostream>
template <typename T>
class Container {
T data;
public:
Container(const T& value) : data(value) {
std::cout << "Container constructor for type " << typeid(T).name() << " called. Data initialized." << std::endl;
}
void printData() {
std::cout << "Data: " << data << std::endl;
}
};
int main() {
Container<int> intContainer(10);
Container<double> doubleContainer(3.14);
intContainer.printData();
doubleContainer.printData();
return 0;
}
在这个例子中，Container 类模板根据不同的类型参数 T 生成不同的类实例，其构造函数也会根据传入的不同类型值进行初始化，实现了编译时的多态效果。
优化构造函数调用顺序
减少不必要的构造
- 使用初始化列表的最佳实践：在构造函数中，使用初始化列表可以减少不必要的构造和析构操作。例如，对于一个包含
std::string成员的类：
#include <iostream>
#include <string>
class MyClass {
std::string str;
public:
MyClass(const char* s) : str(s) {
std::cout << "MyClass constructor called. String: " << str << std::endl;
}
};
int main() {
MyClass obj("Hello");
return 0;
}
在上述代码中，通过初始化列表直接用传入的字符串初始化 str，避免了先默认构造 str 然后再赋值的额外操作。如果不使用初始化列表，str 会先被默认构造，然后在构造函数体中通过赋值操作进行初始化，增加了不必要的开销。
- 避免临时对象的构造：在函数调用和对象初始化过程中，要注意避免不必要的临时对象构造。例如，考虑以下代码：
#include <iostream>
#include <string>
class MyString {
std::string data;
public:
MyString(const std::string& s) : data(s) {
std::cout << "MyString constructor called. String: " << data << std::endl;
}
};
void processString(MyString str) {
std::cout << "Processing string: " << str.data << std::endl;
}
int main() {
std::string temp = "Hello";
processString(temp);
return 0;
}
在这个例子中，processString 函数接受 MyString 类型的参数，会构造一个 MyString 的临时对象。如果 processString 函数改为接受 const MyString& 类型的参数，可以避免临时对象的构造，提高效率。
#include <iostream>
#include <string>
class MyString {
std::string data;
public:
MyString(const std::string& s) : data(s) {
std::cout << "MyString constructor called. String: " << data << std::endl;
}
};
void processString(const MyString& str) {
std::cout << "Processing string: " << str.data << std::endl;
}
int main() {
std::string temp = "Hello";
processString(temp);
return 0;
}
优化继承体系中的构造
- 合理设计基类构造函数：在继承体系中，基类构造函数的设计对整体构造效率有影响。基类构造函数应该尽量简洁，只完成必要的初始化操作，避免在基类构造函数中进行复杂的计算或资源分配，这些操作可以延迟到派生类构造函数中进行。例如，假设有一个
GeometryObject基类和Triangle派生类：
#include <iostream>
class GeometryObject {
int id;
public:
GeometryObject(int i) : id(i) {
std::cout << "GeometryObject constructor called with id: " << id << std::endl;
}
};
class Triangle : public GeometryObject {
double side1, side2, side3;
public:
Triangle(int i, double s1, double s2, double s3) : GeometryObject(i), side1(s1), side2(s2), side3(s3) {
std::cout << "Triangle constructor called. Sides: " << side1 << ", " << side2 << ", " << side3 << std::endl;
}
};
int main() {
Triangle t(1, 3.0, 4.0, 5.0);
return 0;
}
在这个例子中，GeometryObject 基类只初始化 id，Triangle 派生类负责初始化与三角形相关的边长。这样的设计使得构造过程清晰，并且可以避免在基类构造函数中进行与具体几何形状无关的复杂操作。
- 利用初始化列表优化多重继承：在多重继承中，合理使用初始化列表可以优化构造函数调用顺序和效率。例如，对于前面提到的
ClassD多重继承自ClassA、ClassB和ClassC的例子：
#include <iostream>
class ClassA {
public:
ClassA() {
std::cout << "ClassA constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassB {
public:
ClassB() {
std::cout << "ClassB constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassC {
public:
ClassC() {
std::cout << "ClassC constructor called." << std::endl;
}
};
class ClassD : public ClassA, public ClassB, public ClassC {
public:
ClassD() : ClassA(), ClassB(), ClassC() {
std::cout << "ClassD constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
ClassD d;
return 0;
}
通过在 ClassD 的构造函数初始化列表中明确调用基类构造函数，可以确保构造顺序的清晰，并且避免潜在的性能问题。同时，如果基类构造函数需要参数，在初始化列表中正确传递参数也是优化构造过程的关键。
构造函数调用顺序的调试与陷阱
调试构造函数调用顺序
- 使用输出语句：最直接的调试构造函数调用顺序的方法是在构造函数中添加输出语句。例如，在前面的
SimpleClass、OuterClass、BaseClass和DerivedClass等例子中，通过在构造函数中输出相关信息，我们可以清楚地看到构造函数的调用顺序。这种方法简单直观，但在大型项目中可能会产生大量输出，导致信息杂乱。
#include <iostream>
class SimpleClass {
public:
int value;
SimpleClass() {
value = 0;
std::cout << "SimpleClass constructor called. value initialized to " << value << std::endl;
}
};
int main() {
SimpleClass obj;
return 0;
}
- 使用调试工具：现代的集成开发环境（IDE）如 Visual Studio、CLion 等提供了强大的调试功能。可以在构造函数中设置断点，然后通过调试模式逐步执行程序，观察构造函数的调用顺序。例如，在 Visual Studio 中，可以在构造函数代码行左侧点击设置断点，然后启动调试，程序会在断点处暂停，此时可以查看调用堆栈，清晰地看到构造函数的调用层次和顺序。
常见陷阱与避免方法
- 未初始化成员变量：在构造函数中忘记初始化成员变量是一个常见错误。例如，考虑以下代码：
#include <iostream>
class MyClass {
int value;
public:
MyClass() {
// 忘记初始化 value
std::cout << "MyClass constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
MyClass obj;
std::cout << "Value: " << obj.value << std::endl;
return 0;
}
在这个例子中，value 没有被初始化，输出 obj.value 会得到一个未定义的值。为避免这种情况，应该在构造函数初始化列表或构造函数体中对所有成员变量进行初始化。
- 构造函数异常处理不当：当构造函数抛出异常时，对象可能处于未完全构造的状态，可能导致资源泄漏等问题。例如，假设一个
Resource类在构造函数中分配内存，并且构造函数可能抛出异常：
#include <iostream>
#include <stdexcept>
class Resource {
int* data;
public:
Resource(int size) {
data = new int[size];
if (size < 0) {
throw std::invalid_argument("Size cannot be negative");
}
std::cout << "Resource constructor called. Memory allocated." << std::endl;
}
~Resource() {
delete[] data;
std::cout << "Resource destructor called. Memory freed." << std::endl;
}
};
class Container {
Resource res;
public:
Container(int size) : res(size) {
std::cout << "Container constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
try {
Container c(-1);
} catch (const std::invalid_argument& e) {
std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
}
return 0;
}
在这个例子中，如果 Resource 的构造函数抛出异常，Container 对象的 res 成员未完全构造，而 Resource 已分配的内存无法正确释放，导致内存泄漏。为避免这种情况，可以使用智能指针等资源管理工具，或者在构造函数中进行更合理的异常处理，确保资源在异常情况下也能正确释放。
- 忽视成员对象声明顺序：如前文所述，成员对象按照声明顺序构造，如果忽视这一点，可能导致初始化依赖关系错误。例如，将前面
Database类中Connection和QueryExecutor的声明顺序颠倒：
#include <iostream>
class Connection {
public:
Connection() {
std::cout << "Connection established." << std::endl;
}
};
class QueryExecutor {
Connection& conn;
public:
QueryExecutor(Connection& c) : conn(c) {
std::cout << "QueryExecutor initialized with an existing connection." << std::endl;
}
};
class Database {
QueryExecutor executor;
Connection conn;
public:
Database() : executor(conn) {
std::cout << "Database constructor called." << std::endl;
}
};
int main() {
Database db;
return 0;
}
在这个修改后的代码中，executor 先构造，此时 conn 还未构造，导致 executor 初始化时使用了未初始化的 conn，程序会出错。因此，要特别注意成员对象的声明顺序，确保初始化依赖关系正确。
通过深入理解 C++ 构造函数调用顺序，以及注意上述的调试方法和陷阱，可以编写出更健壮、高效的 C++ 程序。构造函数调用顺序不仅影响对象的初始化和资源管理，还与程序的逻辑、性能以及多态行为密切相关，是 C++ 编程中需要重点掌握的关键知识点之一。