C++深度探索運(yùn)算符重載和返回值優(yōu)化

更新時(shí)間：2022年04月24日 11:55:01 作者：小裘HUST

這篇文章主要介紹了C++運(yùn)算符重載及編譯器返回值優(yōu)化，C++當(dāng)中除了函數(shù)可以重載之外，其實(shí)運(yùn)算符也是可以重載的，下面一起來詳細(xì)了解吧

問題背景

編譯環(huán)境還是針對(duì)C6455 DSP，為了做一些簡單的圖像直方圖的處理，并且盡可能不用模板類，我自己寫了一個(gè)簡單的類用來存放帶長度信息的數(shù)組，并且可以做一些簡單的運(yùn)算。重載了減法運(yùn)算符，從而可以對(duì)兩個(gè)直方圖求差。

具體問題

當(dāng)類中有那種需要?jiǎng)討B(tài)分配空間的成員的時(shí)候，要記得提醒自己重載拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運(yùn)算符，這兩者缺一不可。為了舉個(gè)例子，我定義了下面這個(gè)CData類。

class CData
{
private:
    int *m_pData;
    unsigned int m_nLen;
public:
    CData();
    CData(unsigned int nLen);
    /* There is no copy constructor at the very begining */
    CData(const CData &data);
    ~CData();
    int &at(unsigned int i);
    int &at(unsigned int i) const;
    CData operator-(const CData &data);
    CData &operator=(const CData &data);
    CData &operator-=(const CData &data);
};

在CData中，有兩個(gè)成員，分別是一個(gè)int類型的指針和一個(gè)unsigned int類型的變量代表數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

我重載了一個(gè)減法運(yùn)算符，為的是將兩個(gè)CData類型的數(shù)據(jù)長度相同的對(duì)象中的每個(gè)對(duì)應(yīng)位置的int類型數(shù)據(jù)直接相減。而在調(diào)用減法運(yùn)算的時(shí)候勢必會(huì)用到拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運(yùn)算符，因此也需要對(duì)它們重載。

順帶一提的是，在上面我還聲明了一個(gè)“-=”運(yùn)算符的重載，為的是突出“-=”在一定場合會(huì)更加高效，但因?yàn)槲以趯?shí)際應(yīng)用中不能直接覆蓋“被減數(shù)”中的數(shù)據(jù)，所以不能用“-=”運(yùn)算符，只能通過減法運(yùn)算符來實(shí)現(xiàn)。

CData CData::operator-(const CData &data)
{
    cout << "entering subtract" << endl;
    assert(m_nLen == data.m_nLen);
    CData ret(data.m_nLen);
    for (int i = 0; i < m_nLen; i++){
        ret.at(i) = at(i) - data.at(i);
    }
    return ret;
}

減法運(yùn)算重載，返回值是一個(gè)類的對(duì)象。函數(shù)返回后，這個(gè)類的對(duì)象就已經(jīng)被析構(gòu)了，所以在它被析構(gòu)之前一般會(huì)先調(diào)用一個(gè)拷貝構(gòu)造函數(shù)，將這個(gè)類的對(duì)象拷貝給一個(gè)新的臨時(shí)的對(duì)象。默認(rèn)拷貝構(gòu)造函數(shù)采用淺拷貝，這在遇到類中包含指針類型的成員時(shí)很可能造成對(duì)同一塊內(nèi)存區(qū)域的重復(fù)釋放。所以我們需要重載拷貝構(gòu)造函數(shù)，為指針成員申請(qǐng)新的內(nèi)存空間。

CData CData::&operator=(const CData &data)
{
    cout << "entering assign" << endl;
    assert(m_nLen == data.m_nLen);
    for (int i = 0; i < m_nLen; i++)
        at(i) = data.at(i);
    return *this;
}

減法運(yùn)算返回的臨時(shí)對(duì)象如果不給新的對(duì)象接收，它就沒了。所以我們還需要重載賦值運(yùn)算符，用來接收這個(gè)臨時(shí)對(duì)象中的數(shù)據(jù)，這一臨時(shí)對(duì)象被接收后，也會(huì)被析構(gòu)。分析整個(gè)過程可以看到，從減法運(yùn)算返回的類對(duì)象，其中的數(shù)據(jù)先要被復(fù)制到一個(gè)臨時(shí)對(duì)象里，再要從臨時(shí)對(duì)象復(fù)制到真正的賦值目標(biāo)對(duì)象里，浪費(fèi)了很多時(shí)間。

有的編譯器就會(huì)對(duì)這樣的情況進(jìn)行優(yōu)化，省略對(duì)拷貝構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用，直接賦值。

我今天遇到的問題是因?yàn)?，我之前不知道在這個(gè)過程中會(huì)調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)，所以沒有重寫拷貝構(gòu)造函數(shù)。意外的是，之前我這么做也是能用的，但我現(xiàn)在覺得不管怎樣還是得把拷貝構(gòu)造函數(shù)寫上，不能偷懶。

測試代碼

為了便于驗(yàn)證這一過程，我寫了一部分測試代碼，可以用g++編譯。

#include <assert.h>
#include <iostream>
using namespace std;
class CData
{
private:
    int *m_pData;
    unsigned int m_nLen;
public:
    CData(): m_nLen(0), m_pData(nullptr)
    {
        cout << "construct without arg" << endl;
    }
    CData(unsigned int nLen): m_nLen(nLen)
    {
        cout << "construct with arg" << endl;
        m_pData = new int[nLen];
        assert(m_pData != NULL);
    }
    CData(const CData &data)
    {
        cout << "copy construct" << endl;
        m_nLen = data.m_nLen;
        m_pData = new int[data.m_nLen];
        assert(m_pData != nullptr);
        for (int i = 0; i < m_nLen; i++){
            at(i) = data.at(i);
        }
    }
    ~CData()
    {
        cout << "destruct" << endl;
        if(m_pData){
            delete[] m_pData;
            m_pData = nullptr;
        }
    }
    int &at(unsigned int i)
    {
        assert(i < m_nLen);
        return *(m_pData + i);
    }
    int &at(unsigned int i) const
    {
        assert(i < m_nLen);
        return *(m_pData + i);
    }
    CData operator-(const CData &data)
    {
        cout << "entering subtract" << endl;
        assert(m_nLen == data.m_nLen);
        CData ret(data.m_nLen);
        for (int i = 0; i < m_nLen; i++){
            ret.at(i) = at(i) - data.at(i);
        }
        return ret;
    }
    CData &operator=(const CData &data)
    {
        cout << "entering assign" << endl;
        assert(m_nLen == data.m_nLen);
        for (int i = 0; i < m_nLen; i++)
            at(i) = data.at(i);
        return *this;
    }
    CData &operator-=(const CData &data)
    {
        cout << "entering subtract and assign" << endl;
        assert(m_nLen == data.m_nLen);
        for (int i = 0; i < m_nLen; i++)
            at(i) -= data.at(i);
        return *this;
    }
};
int main()
{
    cout << "---------- start construct ----------" << endl;
    CData dataA(10);
    CData dataB(10);
    CData dataC(10);
    cout << "---------- start subtract ----------" << endl;
    dataC = dataA - dataB;
    cout << "---------- start subtract and assign ----------" << endl;
    dataA -= dataB;
    cout << "---------- end of program ----------" << endl;
    return 0;
}

g++編譯的程序，返回類對(duì)象的時(shí)候，默認(rèn)是會(huì)省略拷貝構(gòu)造函數(shù)的，加上“-fno-elide-constructors”的編譯選項(xiàng)后可以讓它不省略。

上圖是在加上了“-fno-elide-constructors”編譯選項(xiàng)后的運(yùn)行結(jié)果，可以看到執(zhí)行了兩次析構(gòu)，對(duì)應(yīng)減法重載函數(shù)內(nèi)的對(duì)象和拷貝構(gòu)造函數(shù)生成的臨時(shí)對(duì)象被析構(gòu)。