因?yàn)镃++語(yǔ)言沒(méi)有內(nèi)嵌的GC機(jī)制，C++程序員不得不操心動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的問(wèn)題。而工程中很多內(nèi)存管理的問(wèn)題都是由于違背了rule of three的原則惜互。
按照rule of three的要求，如果一個(gè)類(lèi)顯式地定義下列其中一個(gè)成員函數(shù)，那么其他兩個(gè)成員函數(shù)也應(yīng)該一起被定義橄维。也就是說(shuō)這三個(gè)函數(shù)要么都不定義，要么都要定義拴曲。

• 析構(gòu)函數(shù)（destructor）
• 復(fù)制構(gòu)造函數(shù)（copy constructor）
• 復(fù)制賦值運(yùn)算符（copy assignment operator）

下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明違反這個(gè)原則所帶來(lái)的潛在的內(nèi)存問(wèn)題争舞。

學(xué)生管理系統(tǒng)

學(xué)生類(lèi)的實(shí)現(xiàn)

Student類(lèi)，用來(lái)存儲(chǔ)學(xué)生的姓名及年齡澈灼。在構(gòu)造函數(shù)中根據(jù)name所指向的字符串的長(zhǎng)度按需分配內(nèi)存竞川，在析構(gòu)中釋放分配的內(nèi)存以防止內(nèi)存泄露。

struct Student {
    Student(const char * theName, int theAge)
        : name(createName(theName))
        , age(theAge) {
        std::cout << "construct Student" << std::endl;
    }
    ~Student() {
        std::cout << "destruct Student" << std::endl;
        if (name != NULL) {
            delete[] name;
            name = NULL;
        }
    }
private:
    static char * createName(const char * theName) {
        if (theName == NULL) {
            return NULL;
        }
        char * ptr = new(std::nothrow) char[strlen(theName) + 1];
        if (ptr == NULL) {
            return NULL;
        }
        strcpy(ptr, theName);
        return ptr;
    }
private:
    char * name;
    int age;
};

學(xué)校類(lèi)的實(shí)現(xiàn)

學(xué)校類(lèi)用來(lái)存儲(chǔ)學(xué)校里所有的學(xué)生信息

struct School {
    void addStudent(const Student & student) {
        students.push_back(student);
    }
private:
    std::vector<Student> students;
};

在main函數(shù)中我們構(gòu)造alice與tom兩名學(xué)生叁熔，并把他們加入到學(xué)校中委乌。

int main() {
    Student tom("Tom", 17);
    Student alice("Alice", 16);
    School school;
    school.addStudent(tom);
    school.addStudent(alice);
    return 0;
}

結(jié)果分析

編譯運(yùn)行這段代碼，發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行出現(xiàn)了內(nèi)存錯(cuò)誤：

運(yùn)行結(jié)果

special member functions

C++標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定（參考c++98的標(biāo)準(zhǔn)中Special member functions一節(jié)）
如果一個(gè)類(lèi)沒(méi)有顯式地聲明以下四個(gè)函數(shù)，編譯器將自動(dòng)生成默認(rèn)版本判导。

• 構(gòu)造函數(shù)(constructor)
• 拷貝構(gòu)造函數(shù)(copy constructor)
• 拷貝賦值操作符(copy assignment)
• 析構(gòu)函數(shù)(destructor)
  由于Student的實(shí)現(xiàn)中并沒(méi)有顯式的聲明拷貝構(gòu)造函數(shù)嫉父，編譯器將會(huì)自動(dòng)為Student類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)拷貝構(gòu)造函數(shù)。而編譯器創(chuàng)建的版本只是單純地將源對(duì)象的每個(gè)非static的成員變量拷貝到目標(biāo)對(duì)象眼刃。對(duì)于Student類(lèi)绕辖，編譯器自動(dòng)生成的拷貝構(gòu)造函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

Student::Student(const Student & rhs) {
    this->name = rhs.name;
    this->age = rhs.age;
}

可以看到，在編譯器自動(dòng)生成的這個(gè)版本中擂红，rhs.name所指向的這段內(nèi)存的指針被賦給了this->name仪际，在這兩個(gè)對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)里，都會(huì)嘗試刪除這段內(nèi)存昵骤，從而導(dǎo)致了double free的內(nèi)存錯(cuò)誤树碱。

copy assignment

    Student tom("Tom", 17);
    Student clone("clone", 10);
    clone = tom;

閱讀上面的代碼，思考在函數(shù)退出時(shí)會(huì)發(fā)生啥变秦？
在這段代碼中成榜，我們通過(guò)copy assignment來(lái)clone了一個(gè)tom。由于Student類(lèi)中沒(méi)有顯式地聲明copy assignment伴栓，編譯器為我們自動(dòng)生成了copy assignment的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)伦连。同拷貝構(gòu)造函數(shù)一樣雨饺，這個(gè)函數(shù)也只是簡(jiǎn)單地把源對(duì)象中的每一個(gè)non-static的成員變量拷貝到目標(biāo)對(duì)象钳垮。對(duì)于Student類(lèi)，編譯器自動(dòng)生成的copy assignment函數(shù)的如下：

Student & Student::operator = (const Student & rhs) {
    this->name = rhs.name;
    this->age = rhs.age;
    return *this;
}

在執(zhí)行clone = tom時(shí)额港，clone對(duì)象的copy assignment被調(diào)用饺窿。clone對(duì)象里的name指針指向了tom對(duì)象的name所指向的指針。在程序退出時(shí)移斩，保存字符原先clone.name所指向的內(nèi)存不會(huì)被釋放肚医，而tom.name所指向的內(nèi)存卻被釋放了兩次。（一次是在tom的析構(gòu)函數(shù)中向瓷，一次是在clone的析構(gòu)函數(shù)中）

rule of three

上面例子中出現(xiàn)的兩個(gè)內(nèi)存問(wèn)題肠套，都是因?yàn)闆](méi)有遵循role of three。Student類(lèi)聲明并實(shí)現(xiàn)了析構(gòu)函數(shù)猖任，卻沒(méi)有同時(shí)實(shí)現(xiàn)copy constructor與copy assignment operator你稚。
這三個(gè)成員函數(shù)屬于Special member functions，如果沒(méi)有被顯式的定義或禁止，編譯器會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建它們刁赖。如果一個(gè)類(lèi)顯式地定義了其中的一個(gè)函數(shù)搁痛，最可能的原因是這個(gè)類(lèi)牽扯到資源的管理，編譯器自動(dòng)生成的版本滿足不了類(lèi)資源管理的需求宇弛，因此需要重新實(shí)現(xiàn)鸡典。那么另外兩個(gè)函數(shù)，也理應(yīng)做相應(yīng)的資源相關(guān)的操作枪芒。
而如果一個(gè)類(lèi)管理的資源不支持copy與共享彻况，就應(yīng)該明確地拒絕，顯式的禁止copy constructor與copy assignment operator病苗，以防止因?qū)ο罂截惗鴰?lái)的資源使用錯(cuò)誤疗垛。

Student的參考實(shí)現(xiàn)1

struct Student {
    Student(const char * theName, int theAge)
        : name(createName(theName))
        , age(theAge) {
        std::cout << "construct Student" << std::endl;
    }
    ~Student() {
        std::cout << "destruct Student" << std::endl;
        if (name != NULL) {
            delete[] name;
            name = NULL;
        }
    }

    Student(const Student & rhs)
        : name(createName(rhs.name))
        , age(rhs.age) {
    }

    Student & operator = (const Student & rhs) {
        if (this->name != NULL) {
            delete [] this->name;
            this->name = NULL;
        }
        if (rhs.name != NULL) {
            this->name = createName(rhs.name);
        }
        this->age = rhs.age;
        return *this;
    }
private:
    static char * createName(const char * theName) {
        if (theName == NULL) {
            return NULL;
        }
        char * ptr = new(std::nothrow) char[strlen(theName) + 1];
        if (ptr == NULL) {
            return NULL;
        }
        strcpy(ptr, theName);
        return ptr;
    }
private:
    char * name;
    int age;
};

Student的參考實(shí)現(xiàn)2

在克隆人技術(shù)實(shí)現(xiàn)之前，copy一個(gè)人沒(méi)有意義硫朦，因此需要顯式地禁止copy constructor與copy assignment operator（將這兩個(gè)函數(shù)聲明為私有而不提供實(shí)現(xiàn)）贷腕。

struct Student {
    Student(const char * theName, int theAge)
        : name(createName(theName))
        , age(theAge) {
        std::cout << "construct Student" << std::endl;
    }
    ~Student() {
        std::cout << "destruct Student" << std::endl;
        if (name != NULL) {
            delete[] name;
            name = NULL;
        }
    }

private:
    static char * createName(const char * theName) {
        if (theName == NULL) {
            return NULL;
        }
        char * ptr = new(std::nothrow) char[strlen(theName) + 1];
        if (ptr == NULL) {
            return NULL;
        }
        strcpy(ptr, theName);
        return ptr;
    }
private:
    Student(const Student & rhs);
    Student & operator = (const Student & rhs);
private:
    char * name;
    int age;
};

School的實(shí)現(xiàn)

由于Student類(lèi)禁止了拷貝構(gòu)造函數(shù)，而vector在push_back的時(shí)候需要調(diào)用到對(duì)象的拷貝構(gòu)造函數(shù)咬展，因此先前的代碼會(huì)編譯不過(guò)泽裳，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在vector中存儲(chǔ)Student的指針破婆。在容器中存儲(chǔ)指針涮总，消除了對(duì)象的構(gòu)造拷貝，提高了運(yùn)行效率祷舀，但引入了另外一個(gè)復(fù)雜度瀑梗，即對(duì)象創(chuàng)建與刪除職責(zé)的管理。

rule of five（C++11）

如果一個(gè)類(lèi)顯式定義了destructor裳扯、copy constructor抛丽、copy assignment operator三個(gè)函數(shù)中的任意一個(gè)函數(shù)，編譯器不再自動(dòng)生成move constructor 及move assignment operator的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)饰豺。如果一個(gè)類(lèi)支持移動(dòng)語(yǔ)義（move semantics）亿鲜，需要顯式地聲明并實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)函數(shù)。這樣冤吨，對(duì)于支持移動(dòng)語(yǔ)義的類(lèi)蒿柳，這五個(gè)函數(shù)應(yīng)該同時(shí)出現(xiàn)。

參考資料

• 《effective C++》條款05漩蟆，了解C++默默編寫(xiě)并調(diào)用哪些函數(shù)
• 《effective C++》條款06垒探，若不想使用編譯器自動(dòng)生成的函數(shù)，就該明確拒絕
• 《C++編程規(guī)范》第52條怠李，一致地進(jìn)行復(fù)制和銷(xiāo)毀

后記

文中例子的運(yùn)行結(jié)果基于mac os + clang圾叼，clang版本信息如下：

• Apple LLVM version 7.0.2 (clang-700.1.81)
• Target: x86_64-apple-darwin14.5.0
• Thread model: posix

感謝M23指正仔引，在Linux + gcc的環(huán)境下，double free的例子中褐奥，析構(gòu)函數(shù)里的log輸出了四次咖耘。在mac os + clang環(huán)境下log輸出了三次并不因?yàn)槲鰳?gòu)函數(shù)應(yīng)該被調(diào)用三次，而是因?yàn)閮?nèi)存異常終止了log的輸出撬码。
至于Linux + gcc與mac os + clang異常處理上的不同是另外一個(gè)話題儿倒，在此不做討論。