类的六个特殊成员函数的自动合成

前言

类的六个特殊成员函数具体是：

class A {
   public:
    A() = default;  // 默认构造函数
    A(const A &) = default;  // 拷贝构造函数
    A &operator=(const A &) = default;  // 拷贝赋值函数
    A(A &&) noexcept = default;  // 移动构造函数
    A &operator=(A &&) noexcept = default;  // 移动赋值函数
    ~A() noexcept = default;  // 析构函数
};

当我们未显式定义这六个函数时，编译器默认会自动合成，但当它们的其中一些被显式定义或删除时，它们的其中一些不会被生成。这一直是一个非常头疼的点，因为它们之间的关系可以说非常复杂。本文就将介绍这些函数在何时合成，以及应对之法。

开始前的一个小芝士 - 如何自己做实验

这里我们还是问出了一个经典的问题，如何进行实验？基于实验我们可以自己验证一些问题。

从 C++ 11 开始，提出了类型特征（type traits）函数，它们在编译时确认，用于判定类型是否符合某些特征，例如最常用的就是 is_same_v，它用来判断两个类型是否相等，返回一个布尔类型。我们通常与模板元编程结合，用它进行一些断言或者编译时分支的确定。

这里我们需要用到的也正是这类类型特征函数，它们在 type_traits 库中。

// 其中 Cls 表示我们的自定义类
cout << std::is_default_constructible<Cls>::value << endl;  // 是否具有默认构造函数
cout << std::is_copy_constructible<Cls>::value << endl;  // 是否具有拷贝构造函数
cout << std::is_copy_assignable<Cls>::value << endl;  // 是否具有拷贝赋值函数
cout << std::is_move_constructible<Cls>::value << endl;  // 是否可以进行移动构造
cout << std::is_move_assignable<Cls>::value << endl;  // 是否可以进行移动赋值
cout << std::is_destructible<Cls>::value << endl;  // 是否具有析构函数
// 后面的代码示例中为了节约代码篇幅，不会说明我们实验的方法。

当然，这里也有一些坑点。注意我们在移动语义上的 “委婉” 用词：可能类没有移动函数，但当它具有拷贝函数时它也是可移动的，因为移动语义可以重载到拷贝语义上。这种情况我们就只能用打印到终端的方法了。

特殊成员函数的默认行为

• 默认构造函数的默认行为：调用所有成员的默认构造函数（对于基本数据成员进行默认初始化）
• 拷贝构造函数的默认行为：调用所有成员的拷贝构造函数（对于基本数据成员直接拷贝）
• 拷贝赋值函数的默认行为：调用所有成员的拷贝赋值函数（对于基本数据成员直接拷贝）
• 移动构造函数的默认行为：调用所有成员的移动构造函数（对于基本数据成员直接拷贝）
• 移动赋值函数的默认行为：调用所有成员的移动赋值函数（对于基本数据成员直接拷贝）
• 析构函数的默认行为：调用所有成员的析构函数（对于基本数据成员释放其栈空间）

​注意： 对于默认构造函数，其实际与 A() {} 是等价的，因为构造函数被定义就无法禁止其成员进行构造（当然可以使用构造函数初始化列表重定义成员构造），{} 中主代码只能在构造完成后进行额外操作。对于析构函数，其实际与 ~A() {} 是等价的，因为析构函数被定义就无法禁止其成员进行自动析构（当然，可以删除析构函数），{} 中主代码只能在析构前进行额外操作，如堆空间的管理。

显式定义特殊成员函数

显式定义特殊成员函数的方法有三，我们以默认构造函数为例：

• 显式使用默认行为：A() = default;，在一些场景默认行为不会隐式生成，需要用户显式指定。
• 显式删除合成函数：A() = delete;，在一些场景默认合成，使用该方法删除它。
• 自定义行为：A() : ... {...}，也就是我们完全选择重写。

强制删除默认方法的场景

所谓强制删除默认方法是指，即使你显式指定为 default，该特殊成员函数依然是被删除的。另外，如果你将它们进行自定义，并按照默认行为重写也是错误的，因为强制删除的原因就是默认行为无法继续。

• 如果一个类的成员相对应的特殊成员函数是删除的（或不可见的），则该特殊成员函数的默认行为是强制删除的。例如成员的拷贝构造函数是删除的，则类的拷贝构造函数的默认行为是强制删除的，当然自定义行为是允许的。这是因为注意到它们的默认行为是调用其成员的对应行为，如果成员的该行为被删除，则类自然不能完成其默认行为。
• 如果一个类的析构函数是删除的（或不可见的（private）），则其所有构造函数都是强制删除的。注意不仅是特殊成员构造函数，还是其他自定义的构造函数都会被强制删除。（注意与第一条存在传递关系）
• 如果一个类的成员是 const 或引用的，且该成员不完全实现类内初始化，则其默认构造函数是强制删除的。其作用实际是保证其 const 或引用成员正常完成初始化。
• 如果一个类的成员是 const 或引用的，则其拷贝和移动赋值函数是删除的。这里无论其成员是否实现类内初始化，这样设计的意义与上一点相同。

下面是一些供参考的示例：

• 存在 const 或引用成员不完全实现类内初始化的示例
• 成员对应特殊成员缺失的示例
• 成员析构函数缺失的示例

class Member {
   public:
    int x = 0;
    int y;
};
class Class {
   public:
    Member mem1;
    const Member mem2;
    int &r;
    Class() = default;
};

在上面这个示例中：mem1 成员不是 const 或引用的，因此我们无需考虑它；mem2 成员是 const 的，且其成员 x 实现了类内初始化，而其成员 y 没有实现，因此 Member 不完全实现类内初始化，实际上已经满足强制删除的条件；最后，r 成员是基本数据类型的引用，它也没有实现类内初始化（即绑定）。因此 Class 的默认构造函数被强制删除。

现在我们将代码修改如下：

class Member {
   public:
    int x = 0;
    int y;
    Member() : y(10) {};
};
int i = 9;
class Class {
   public:
    Member mem1;
    const Member mem2;
    int &r = i;
    Class() = default;
};

这样的示例 Class 是具有默认构造函数的。我们来分析一下 mem2，虽然 mem2 没有显式类内初始化，但它通过自定义的默认构造函数可以完成完全的类内初始化，这也是我们在图中提到的向成员传递参数。

这里以拷贝构造函数为例。

class Member {
    // Member &operator=(const Member &) = default;  // Case 2
   public:
    Member &operator=(const Member &) = delete;  // Case 1
    // Member &operator=(const Member &) { ...; return *this; }  // Case 3
};
class Class {
    Member mem;
   public:
    Member &operator=(const Member &) = default;
}

• Case 1 ：Class 的拷贝构造函数的默认行为是删除的，因为成员不具有拷贝构造函数。
• Case 2 ：Class 的拷贝构造函数的默认行为是删除的，因为成员的拷贝构造函数对 Class 是不可见的。这里需要注意这与 mem 对类 Class 外部是否可见无关。
• Case 3 ：Class 将具有拷贝构造函数，注意这与成员的拷贝构造函数是默认行为还是自定义行为无关，只要具有即可。

析构函数缺失是非常致命的，它将导致所有构造方法都不被允许。因为一个函数如果栈空间都不被允许释放，那么它将被禁止以任何方式构造。

class Member {
   public:
    ~Member() noexcept = delete;
    // 默认构造函数强制删除
    // 拷贝构造函数强制删除
    // 移动构造函数强制删除
};
class Class {
   public:
    // 析构函数强制删除
    // 默认构造函数强制删除  // 这里存在传递关系
    // 拷贝构造函数强制删除  // 这里存在传递关系
    // 移动构造函数强制删除  // 这里存在传递关系
}

任何不可析构或包含不可析构成员的类都不允许进行任何构造。

那么不可析构类存在的意义是什么

不可析构通常很少被使用，只有当希望其析构被其他方法托管时。

• 析构函数被删除的类，可以使用 reinterpret_cast 获取该类的指针，同时它天然不允许任何构造方法存在。例如直接从内存读取的二进制数据只能使用 reinterpret_cast 得到可用的该类，同时它的析构方法被原指针持有。
• 析构函数被隐藏的类，可用于创建单例模式。单例通过 static 的函数创建，并且可以避免用户使用 delete 显式析构单例。

隐式删除默认方法的场景

后面我们将会介绍三 / 五法则，因此你可能不需要过多关注此章节的复杂规则。

隐式删除默认方法是指，该特殊成员函数不会默认合成，但可以通过显式定义（default / 自定义）生成。

• 如果任何构造函数被显式定义（delete / default / 自定义），则默认构造函数将被隐式删除。注意不仅是特殊成员构造函数，还是其他自定义的构造函数都会隐式删除默认构造函数。
• 如果拷贝构造 / 赋值函数被显式定义，则移动构造 / 赋值函数将被隐式删除；相反地，如果移动构造 / 赋值函数被显式定义，则拷贝构造 / 赋值函数将被隐式删除。
• 对于移动操作，如果移动构造函数被显式定义，则移动赋值函数也将被隐式删除；相反地，如果移动赋值函数被显式定义，则移动构造函数也将被隐式删除。拷贝构造 / 赋值函数则没有此性质。
• 对于移动操作，如果析构函数被显式定义，则移动构造函数和移动赋值函数被隐式删除。

特别提醒一处可能的疑惑：虽然拷贝构造函自定义的，不会隐式删除拷贝赋值函数，但此时拷贝赋值函数不会使用仿照拷贝构造函数的方法，它依然使用默认行为，这是实际编程中容易忽视的；反之亦然。

（此图中，虚线箭头表示的关系是，如果前者被显式定义（delete / default / 自定义），则后者将被隐式删除。）

三 / 五法则

​三五法则 中，三是指默认构造函数、拷贝构造函数、拷贝赋值函数，五是指默认构造函数、拷贝构造函数、拷贝赋值函数、移动构造函数、移动赋值函数，它们被统称为 拷贝控制函数 。这里之所以区分三五，在于你实现的类是否关注移动语义，对于许多类你确实可以抛弃移动语义。

三五法则很简单：当你想要显式定义（delete / default / 自定义）拷贝控制函数中的任一时，你必须显式定义所有的拷贝控制函数。这其实就是因为隐式删除的场景十分复杂，而且容易遗忘，你必须通过三五法则认真考虑每个函数的实现。

另外，如果不遵循三五法则，那么可能还会因为其不明显的拷贝控制函数定义，在所有将该类作为成员的类中导致一些意料之外的强制删除问题。

六个特殊成员函数的总关系图

（图中，强制删除（实线）是指：如果前者被删除（delete），则后者的自动合成方法被删除，即使显式自动（default）也被编译器忽视；隐式删除（虚线）是指：如果前者被显式定义（delete / default / 自定义），则后者的自动合成方法被隐式删除，但用户可以显式定义（default / 自定义）后者。）

其中，隐式删除最好遵循三五法则，无需记忆。

最后，我们将上面的两张表放在一起：