C++11非受限聯(lián)合體的使用
在 C/C++ 中,聯(lián)合體(Union)是一種構(gòu)造數(shù)據(jù)類型。在一個聯(lián)合體內(nèi),我們可以定義多個不同類型的成員,這些成員將會共享同一塊內(nèi)存空間。老版本的 C++ 為了和C語言保持兼容,對聯(lián)合體的數(shù)據(jù)成員的類型進行了很大程度的限制,這些限制在今天看來并沒有必要,因此 C++11 取消了這些限制。
C++11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,任何非引用類型都可以成為聯(lián)合體的數(shù)據(jù)成員,這種聯(lián)合體也被稱為非受限聯(lián)合體。例如:
class Student{ public: ? ? Student(bool g, int a): gender(g), age(a) {} private: ? ? bool gender; ? ? int age; }; union T{ ? ? Student s; ?// 含有非POD類型的成員,gcc-5.1.0 ?版本報錯 ? ? char name[10]; }; int main(){ ? ? return 0; }
上面的代碼中,因為 Student 類帶有自定義的構(gòu)造函數(shù),所以是一個非 POD 類型的,這導(dǎo)致編譯器報錯。這種規(guī)定只是 C++ 為了兼容C語言而制定,然而在長期的編程實踐中發(fā)現(xiàn),這種規(guī)定是沒有必要的。
關(guān)于 POD 類型稍后我們會講解,大家先不要著急。
接下來,我們具體看一下 C++11 對 C++98 的改進。
1. C++11 允許非 POD 類型
C++98 不允許聯(lián)合體的成員是非 POD 類型,但是 C++1 1 取消了這種限制。
POD 是 C++ 中一個比較重要的概念,在這里我們做一個簡單介紹。POD 是英文 Plain Old Data 的縮寫,用來描述一個類型的屬性。
POD 類型一般具有以下幾種特征(包括 class、union 和 struct等):
1) 沒有用戶自定義的構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、拷貝構(gòu)造函數(shù)和移動構(gòu)造函數(shù)。
2) 不能包含虛函數(shù)和虛基類。
3) 非靜態(tài)成員必須聲明為 public。
4) 類中的第一個非靜態(tài)成員的類型與其基類不同,例如:
class B1{}; class B2 : B1 { B1 b; };
class B2 的第一個非靜態(tài)成員 b 是基類類型,所以它不是 POD 類型。
5) 在類或者結(jié)構(gòu)體繼承時,滿足以下兩種情況之一:
派生類中有非靜態(tài)成員,且只有一個僅包含靜態(tài)成員的基類;
基類有非靜態(tài)成員,而派生類沒有非靜態(tài)成員。
我們來看具體的例子:
class B1 { static int n; }; class B2 : B1 { int n1; }; class B3 : B2 { static int n2; };
對于 B2,派生類 B2 中有非靜態(tài)成員,且只有一個僅包含靜態(tài)成員的基類 B1,所以它是 POD 類型。對于 B3,基類 B2 有非靜態(tài)成員,而派生類 B3 沒有非靜態(tài)成員,所以它也是 POD 類型。
6) 所有非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員均和其基類也符合上述規(guī)則(遞歸定義),也就是說 POD 類型不能包含非 POD 類型的數(shù)據(jù)。
7) 此外,所有兼容C語言的數(shù)據(jù)類型都是 POD 類型(struct、union 等不能違背上述規(guī)則)。
2. C++11 允許聯(lián)合體有靜態(tài)成員
C++11 刪除了聯(lián)合體不允許擁有靜態(tài)成員的限制。例如:
union U { ? ? static int func() { ? ? ? ? int n = 3; ? ? ? ? return n; ? ? } };
需要注意的是,靜態(tài)成員變量只能在聯(lián)合體內(nèi)定義,卻不能在聯(lián)合體外使用,這使得該規(guī)則很沒用。
非受限聯(lián)合體的賦值注意事項
C++11 規(guī)定,如果非受限聯(lián)合體內(nèi)有一個非 POD 的成員,而該成員擁有自定義的構(gòu)造函數(shù),那么這個非受限聯(lián)合體的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)將被編譯器刪除;其他的特殊成員函數(shù),例如默認(rèn)拷貝構(gòu)造函數(shù)、拷貝賦值操作符以及析構(gòu)函數(shù)等,也將被刪除。
這條規(guī)則可能導(dǎo)致對象構(gòu)造失敗,請看下面的例子:
#include <string> using namespace std; union U { ? ? string s; ? ? int n; }; int main() { ? ? U u; ? // 構(gòu)造失敗,因為 U 的構(gòu)造函數(shù)被刪除 ? ? return 0; }
在上面的例子中,因為 string 類擁有自定義的構(gòu)造函數(shù),所以 U 的構(gòu)造函數(shù)被刪除;定義 U 的類型變量 u 需要調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù),所以 u 也就無法定義成功。
解決上面問題的一般需要用到 placement new(稍后會講解這個概念),代碼如下:
#include <string> using namespace std; union U { ? ? string s; ? ? int n; public: ? ? U() { new(&s) string; } ? ? ~U() { s.~string(); } }; int main() { ? ? U u; ? ? return 0; }
構(gòu)造時,采用 placement new 將 s 構(gòu)造在其地址 &s 上,這里 placement new 的唯一作用只是調(diào)用了一下 string 類的構(gòu)造函數(shù)。注意,在析構(gòu)時還需要調(diào)用 string 類的析構(gòu)函數(shù)。
placement new 是什么?
placement new 是 new 關(guān)鍵字的一種進階用法,既可以在棧(stack)上生成對象,也可以在堆(heap)上生成對象。相對應(yīng)地,我們把常見的 new 的用法稱為 operator new,它只能在 heap 上生成對象。
placement new 的語法格式如下:
new(address) ClassConstruct(...)
address 表示已有內(nèi)存的地址,該內(nèi)存可以在棧上,也可以在堆上;ClassConstruct(...) 表示調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù),如果構(gòu)造函數(shù)沒有參數(shù),也可以省略括號。
placement new 利用已經(jīng)申請好的內(nèi)存來生成對象,它不再為對象分配新的內(nèi)存,而是將對象數(shù)據(jù)放在 address 指定的內(nèi)存中。在本例中,placement new 使用的是 s 的內(nèi)存空間。
非受限聯(lián)合體的匿名聲明和“枚舉式類”
匿名聯(lián)合體是指不具名的聯(lián)合體(也即沒有名字的聯(lián)合體),一般定義如下:
union U{ ? ? union { int x; }; ?//此聯(lián)合體為匿名聯(lián)合體 };
可以看到,聯(lián)合體 U 內(nèi)定義了一個不具名的聯(lián)合體,該聯(lián)合體包含一個 int 類型的成員變量,我們稱這個聯(lián)合體為匿名聯(lián)合體。
同樣的,非受限聯(lián)合體也可以匿名,而當(dāng)非受限的匿名聯(lián)合體運用于類的聲明時,這樣的類被稱為“枚舉式類”。示例如下:
#include <cstring> using namespace std; class Student{ public: ? ? Student(bool g, int a): gender(g), age(a){} ? ? bool gender; ? ? int age; }; class Singer { public: ? ? enum Type { STUDENT, NATIVE, FOREIGENR }; ? ? Singer(bool g, int a) : s(g, a) { t = STUDENT; } ? ? Singer(int i) : id(i) { t = NATIVE; } ? ? Singer(const char* n, int s) { ? ? ? ? int size = (s > 9) ? 9 : s; ? ? ? ? memcpy(name , n, size); ? ? ? ? name[s] = '\0'; ? ? ? ? t = FOREIGENR; ? ? } ? ? ~Singer(){} private: ? ? Type t; ? ? union { ? ? ? ? Student s; ? ? ? ? int id; ? ? ? ? char name[10]; ? ? }; }; int main() { ? ? Singer(true, 13); ? ? Singer(310217); ? ? Singer("J Michael", 9); ? ? return 0; }
上面的代碼中使用了一個匿名非受限聯(lián)合體,它作為類 Singer 的“變長成員”來使用,這樣的變長成員給類的編寫帶來了更大的靈活性,這是 C++98 標(biāo)準(zhǔn)中無法達到的(編譯器會報member 'Student Singer::<anonymous union>::s' with constructor not allowed in union錯誤)。
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