读书笔记《Inside the C++ Object Model》：Default Constructor的构造操作

C++新手一般有两个常见的误解：

1.任何class如果没有定义default constructor，就会被合成出一个来。

2.编译器合成出来的default constructor会显示设定“class内的每一个data member的默认值”。

实际上，没有一个是真的！

C++ Annotated Reference Manual（ARM）告诉我们“default constructors在需要的时候被编译器产生出来”。关键字眼是“在需要的时候”。被谁需要？做什么事情？看看下面这段程序代码：

class Foo {public:int val;Foo *pnext;};void foo_bar(){Foo bar;if (bar.val || bar.pnext) {cout << "no init bar members" << endl;} else {cout << "init bar members" << endl;}}

在VC2013中测试结果编译报错：使用了未初始化的局部变量“bar”。

在这个例子中，正确的程序语义是要求Foo有一个default constructor，可以将它的两个members初始化为0。上面这段代码可曾符合所说的“在需要的时候”？答案是NO。

其间的差别在于一个是程序的需要，一个是编译器的需要。程序如果有需要，那是程序员的责任。本例中要承担责任的是设计class Foo的人。所以上述代码编译器并不会合成出一个default constructor。

但如果把bar定义为global，VC2013中测试正常编译通过，运行结果：init bar members

Global objects的内存保证会在程序启动的时候被清为0。Local objects配置于程序的堆栈中，heap objects配置于自由空间中，都不一定会被清0，它们的内容将是内存上次被使用后的遗迹。这点和C语言的机制相同。

什么时候编译器才会合成一个default constructor呢？

当编译器需要它的时候！此外，被合成出来的constructor只执行编译器所需要的行动。也就是说，即使有需要为class Foo合成一个default constructor，那个constructor也不会将两个data members val和pnext初始化为0。为了让上一段代码正确编译执行，class Foo的设计者必须提供一个显示的default constructor，将两个members适当地初始化。

C++ Standard已经修改了ARM中的说法，虽然其行为事实上仍然是相同的。C++ Standard[ISO-C++95]的Section 12.1这么说：

对于class X，如果没有任何user-declared constructor，那么会有一个default constructor被隐式声明出来……一个隐式声明出来的default constructor将是一个trivial（浅薄而无能，没啥用的）constructor……

C++ Standard然后开始一一叙述什么情况下这个implicit default constructor会被视为trivial。一个nontrivial default constructor在ARM的术语中就是编译器所需要的那种，必要的话由编译器合成出来。

nontrivial default constructor有下面4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，那么这个class的implicit default constructor就是“nontrivial”，编译器需要为该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。

看个例子，在下面程序中，编译器为class Bar合成一个default constructor：

class Foo {public://class Foo拥有default constructorFoo() {cout << "Foo default constructor" << endl;}Foo(int) {cout << "Foo constructor" << endl;}};class Bar {public:Foo foo;//foo是一个member objectchar *str;};void foo_bar(){Bar  bar;//Bar::foo是一个member object，而其class Foo拥有default constructorif (bar.str) {cout << "bar.str is not nullptr" << endl;}}

被合成的Bar 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，但它并不产生任何代码来初始化Bar::str。将Bar::foo初始化是编译器的责任，将Bar::str初始化则是程序员的责任。被合成的default constructor看起来可能像这样：

//Bar的default constructor可能会被这样合成//为member foo调用class Foo的default constructorinline Bar::bar(){    //C++伪代码    foo.Foo::Foo();}

再一次要注意，被合成的default constructor之满足编译的需要，而不是程序的需要。为了让这个程序能够正确执行，字符指针str也需要被初始化。假设程序员经由下面的default constructor提供了str的初始化操作：

//程序员定义的default constructorBar::Bar(){    str = 0;}

现在程序的需求获得满足了，但是编译器还需要初始化member object foo。由于default constructor已经被显示地定义出来，编译器就没有办法合成第二个。这种情况下，编译器会采取什么措施呢？

编译器采取的措施是：“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constructor，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 constructor。扩张后的constructor可能像这样：

//扩张后的default constructor//C++伪代码Bar::Bar(){    foo.Foo::Foo();//附加上的compiler code    str = 0;//explicit user code }

如果有多个class member objects都要求constructor初始化擦做，C++要求以“member objects在class中的声明顺序”来调用各个constructors。这一点由编译器完成，它为每一个constructor安插程序代码，以“member声明顺序”调用每一个member所管理的default constructor。这些代码将被安插在explicit user code之前。

举例：

class Dopey {public:Dopey();};class Sneezy {public:Sneezy(int);Sneezy();};class Bashful {public:Bashful();};class Snow_White {public://dopey、sneezy和bashful是三个member objectsDopey dopey;Sneezy sneezy;Bashful bashful;private:int mumble;};

如果Snow_White没有定义default constructor，就会有一个nontrivial constructor被合成出来，依次调用Dopey、Sneezy、Bashful的default constructors。然后如果Snow_White定义了下面这样的default constructor：

//程序员定义的explicit default constructorSnow_White::Snow_White() : sneezy(1024){    mumble = 2048;}

它会被扩张为：

//编译器扩张后的default constructor//C++伪代码Snow_White::Snow_White() : sneezy(1024){    //编译器插入调用member class objects的constructor    dopey.Dopey::Dopey();    sneezy.Sneezy::Sneezy(1024);    bashful.Bashful::Bashful();    //explicit user code    mumble = 2048;}

2.“带有Default Constructor”的Base Class

如果一个没有任何constructors的class派生自一个“带有default constructor”的base class，那么这个derived class的default constructor会被视为nontrivial，并因此需要被合成出来。它将调用上一层base classes的default constructor（根据它们的声明顺序）。对于一个后继派生的class而言，这个合成的constructor和一个“被显示提供的default constructor”么有什么差异。

如果设计者提供多个constructors，但其中都没有default constructor呢？编译器不会再合成一个新的default constructor，但编译器会扩张现有的每一个constructors，将“用以调用所有必要之default constructors”的程序代码加进去。如果同时也存在着“带有default constructor”的member class objects，那些default constructor也会被调用——在所有base class constructor都被调用之后。

3.“带有一个Virtual Function”的Class

另有两种情况，也需要合成出default constructor：

1.class声明（或继承）一个virtual function。

2.class派生自一个继承串链，其中有一个或更多的virtual base classes。

下面两个扩张行动会在编译期间发生：

1.一个virtual function table（vtbl）会被编译器产生出来，内放class的virtual functions地址。

2.在每一个class object中，一个额外的pointer member（也就是vptr）会被编译器合成出来，内含相关之class vtbl的地址。

为了让多态机制发挥功效，编译器必须为每一个Base（或其派生类的）object的vptr设定初值，放置适当的virtual table地址。对于class所定义的每一个constructor，编译器会安插一些代码来做这样的事情。对于那些未声明任何constructor的classes，编译器会为它们合成一个default constructor，以便正确地初始化每一个class object的vptr。

4.“带有一个Virtual Base Class”的Class

virtual base class的实现法在不同的编译器之间有极大的差异。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。

对于class所定义的每一个constructor，编译器会安插那些“允许每一个virtual base class的执行期存取操作”的代码。如果class没有声明任何constructor，编译器必须为它合成一个default constructor。

总结：

有4种情况，会造成“编译器必须为未声明constructor的class合成一个default constructor”。C++ Standard把那些合成物成为implicit nontrivial default constructor。但，被合成出来的default constructor只能够满足编译器（而非程序）的需要。至于没有存在那4种情况而又没有声明任何constructor的classes，我们说它们拥有的是implicit trivial default constructor，它们实际上并不会被合成出来。

在合成的default constructor中，只有base class subobjects和member class objects会被初始化。所有其他的nonstatic data members（如整数、整数指针、整数数组等等）都不会被初始化。这些初始化操作对程序而言或许有需要，但对编译器则非必要。如果程序需要一个“把某指针设为0”的default constructor，那么提供它的人应该是程序员。