C++ 提供了5种特殊的成员函数来控制对象的拷贝、移动、赋值和销毁，统称为拷贝控制操作(copy control)。这几个函数分别是拷贝构造函数(copy constructor)、拷贝赋值运算符(copy assignment operator)、移动构造函数(move constructor)、移动复制运算符(move assignment operator)和析构函数(destructor)。

拷贝构造函数

如果一个构造函数的第一个参数是自身类型的引用，且任何额外的参数都有默认值，则此函数是拷贝构造函数。

class test {
public:
  test(const test&);  // copy constructor
};

如果我们没有为一个类定义拷贝构造函数，编译器会为我们定义一个合成拷贝构造函数(synthesized copy constructor)。对于合成拷贝构造函数，在发生拷贝时，每个成员的类型会决定其拷贝方式，类成员使用其拷贝构造函数，内置类型成员直接拷贝，数组会逐个元素地拷贝。

拷贝构造时机

对于没有进行函数调用的初始化，如果使用等号(=)初始化一个变量，则实际上执行的是拷贝初始化(copy initialization)，如果不使用等号，则执行直接初始化(direct initialization)。

string s1("direct initialization");
string s2(s1);    // direct initialization
string s3 = "copy initialization"; 
string s4 = s2;   // copy initialization

如果初始化中涉及到函数调用，那么在下列情况也会发生拷贝初始化：

  • 将一个对象作为实参传递给一个非引用类型的形参
  • 从一个返回值类型为非引用类型的函数返回一个对象
  • 花括号列表初始化一个数组中的元素或者一个聚合类中的成员

如果一个类满足下列条件，则称为聚合类：

  • 所有成员都是 public的
  • 没有定义任何构造函数
  • 没有类内初始值
  • 没有基类，也没有 virtual 函数

对于聚合类，可以使用花括号括起来的成员初始值列表进行初始化：

struct data {
  int ival;
  string s;
};
data val = { 1, "string" };

其中初始顺序必须和申明顺序一致，如果初始列表中的元素个数少于类成员的个数，则靠后的成员被值初始化。且初始化列表中的元素个数不能多于成员数量。

需要注意的是，标准允许编译器在初始化过程中跳过拷贝/移动构造函数直接创建对象。

拷贝赋值运算符

拷贝赋值运算符接受一个与其所在类型相同的参数。如果没有定义其拷贝赋值运算符，编译器会为它生成一个合成拷贝赋值运算符(synthesized copy assignment operator)。

安全的拷贝赋值运算符

编写拷贝赋值运算符时，有两点需要注意：1、自我拷贝 2、异常安全。下面精心构造的例子可以说明这些问题：

class Bitmap { };
class Widget {
  Bitmap *pb;
  
public:
  Widget(Bitmap *p) : pb(p) {}
  
  Widget &operator = (const Widget &rhs) {
    delete pb;
    pb = new Bitmap(*rhs.pb);
    return *this;
  }
};

假设有某用户创建一个对象后对自己进行赋值：

Bitmap *b;
Widget w(b);
w = w;  // error;

或者编写 Bitmap 的设计者在内存不足时抛出异常：

class Bitmap {
public:
  Bitmap(const Bitmap& obj) {
    throw ...
  }
};

那么在 new Bitmap 操作失败，而原来的备份也被删除。

简单的解决方案是将拷贝复制运算符实现代码进行如下修改：

Widget &operator = (const Widget &rhs) {
  Bitmap *old = pb;
  pb = new Bitmap(*rhs.pb);
  delete old;
  return *this;
}

这样的代码首先保证了异常安全，并且顺带解决了自我赋值(拷贝了一份原来的数据)。另一个替代方案是 copy and swap 技术：

Widget &operator = (Widget rhs) {
  this->swap(rhs);
  return *this;
}

其中假设 swap 函数不会抛出异常。这种方法利用以下依据：

  • 某 class 的 copy assignment 操作可能被申明为 “以 by value 方式接受实参”
  • 以 by value 方式传递东西会造成一件副本

这种方法将 “copying” 动作从函数本体内移到 函数参数构造阶段。

对象移动

对于某些场景，比如 vector<string> 增长时，将旧元素拷贝到新内存是不必要的，而某些对象如 IO 类或 unique_ptr 则不能拷贝。为了解决这些问题，新标准引入了移动语义 - 右值引用(rvalue reference)。

右值引用

所谓右值引用就是必须绑定到右值的引用，类似于任何引用，一个右值引用也不过是某个对象的另一个名字。左值和右值都是针对表达式而言的，左值是指表达式结束后依然存在的持久对象，右值是指表达式结束时就不再存在的临时对象。一个区分左值与右值的便捷方法是：看能不能对表达式取地址，如果能，则为左值，否则为右值。左值有持久状态，而右值要么是字面常量，要么是表达式求值过程中创建的临时对象，所以使用右值引用可以自由的接管所引用对象的资源。

int i = 1;
int &&rr = i * 2;

基于可以看作是将 i * 2 产生的临时变量绑定到 rr 上。而这里的 rr 是右值引用，但其却是一个变量，对于这种情况，标准中提到：

Things that are declared as rvalue reference can be lvalues or rvalues. The distinguishing criterion is: if it has a name, then it is an lvalue. Otherwise, it is an rvalue.

所以， rr 也是一个左值。这里也就是所谓的绑定到右值的引用。理解右值引用是理解移动语义的基础。

移动构造函数和移动赋值操作符

类似于拷贝构造函数，移动构造函数第一个参数必须是该类型的一个右值引用，其余参数都必须有默认实参。而移动赋值操作符则是接受本类型的右值。需要注意的是使用移动语义后必须保证源对象处于销毁无害的状态，即该对象拥有的资源转移给了赋值对象。所以一般的移动构造函数都会将原对象的指针等设置为 nullptr。

在移动操作中允许抛出异常，但是通常不会抛出异常。而标准容器库能对异常发生时其自身的行为提供保障，所以如果元素的移动构造函数没有 noexcept 修饰时，容器库在从新分配内存时会选择拷贝构造函数而不是移动构造函数。因此，如无必要，移动构造函数应当加 noexcept 修饰。

需要注意到的是合成版本的移动构造函数和移动赋值操作符合成条件比较多，这里没有涉及。如果一个类定义了右值构造，那么我们可以通过给它传递右值参数调用其移动构造函数。如果想要对左值也进行移动，这需要进行转义。这种转义可以看作 static_cast<T&&>(lvalue);，在标准中由 std::move(lvaule) 提供支持。值得一提的是，被转化的左值，其生命期并没有随着左右值的转化而改变。也就是说，其实仍然是左值，只是变相调用了移动语义。这也是前面之所以强调的必须保证源对象处于销毁无害的状态。所以调用 move 就意味着承诺：*除了对 lvalue 进行赋值或者销毁它以外，我们将不在使用它`。

成员函数与右值

与 const 修饰的成员函数一致，我们可以在参数列表后放置一个引用限定符(reference qualifier)来指定调用者是左值还是右值。引用限定符可以是 & 或 &&，分别指出 this 可以指向一个左值或者右值。如果一个函数已经有 const 修饰，那么引用修饰必须出现在其后面的位置。

小结

通过以上内容可以看到，C++的许多灵活性来自于其强大的类型系统和精巧的设计理念。