程式員面試題精選（15）：含有指標成員的類的拷貝

題目：下面是一個數組類的聲明與實現。請分析這個類有什麼問題，並針對存在的問題提出幾種解決方案。

template<typename T> class Array
{
public:
      Array(unsigned arraySize):data(0), size(arraySize)
      {
            if(size > 0)
                  data = new T[size];
      }

      ~Array()
      {
            if(data) delete[] data;
      }

      void setValue(unsigned index, const T& value)
      {
            if(index < size)
                  data[index] = value;
      }

      T getValue(unsigned index) const
      {
            if(index < size)
                  return data[index];
            else
                  return T();
      }

private:
      T* data;
      unsigned size;
};

分析：我們注意在類的內部封裝了用來儲存數組資料的指標。軟體存在的大部分問題通常都可以歸結指標的不正確處理。

這個類只提供了一個建構函式，而沒有定義構造拷貝函數和重載拷貝運算子函數。當這個類的使用者按照下面的方式聲明並執行個體化該類的一個執行個體

Array A(10);
Array B(A);

或者按照下面的方式把該類的一個執行個體賦值給另外一個執行個體

Array A(10);
Array B(10);
B=A;

編譯器將調用其自動產生的構造拷貝函數或者拷貝運算子的重載函數。在編譯器產生的預設的構造拷貝函數和拷貝運算子的重載函數，對指標實行的是按位拷貝，僅僅只是拷貝指標的地址，而不會拷貝指標的內容。因此在執行完前面的代碼之後，A.data和B.data指向的同一地址。當A或者B中任意一個結束其生命週期調用解構函式時，會刪除data。由於他們的data指向的是同一個地方，兩個執行個體的data都被刪除了。但另外一個執行個體並不知道它的data已經被刪除了，當企圖再次用它的data的時候，程式就會不可避免地崩潰。

由於問題出現的根源是調用了編譯器產生的預設構造拷貝函數和拷貝運算子的重載函數。一個最簡單的辦法就是禁止使用這兩個函數。於是我們可以把這兩個函式宣告為私人函數，如果類的使用者企圖調用這兩個函數，將不能通過編譯。實現的代碼如下：

private:
      Array(const Array& copy);
      const Array& operator = (const Array& copy);

最初的代碼存在問題是因為不同執行個體的data指向的同一地址，刪除一個執行個體的data會把另外一個執行個體的data也同時刪除。因此我們還可以讓構造拷貝函數或者拷貝運算子的重載函數拷貝的不只是地址，而是資料。由於我們重新儲存了一份資料，這樣一個執行個體刪除的時候，對另外一個執行個體沒有影響。這種思路我們稱之為深度拷貝。實現的代碼如下：

public:
      Array(const Array& copy):data(0), size(copy.size)
      {
            if(size > 0)
            {
                  data = new T[size];
                  for(int i = 0; i < size; ++ i)
                        setValue(i, copy.getValue(i));
            }
      }

      const Array& operator = (const Array& copy)
      {
            if(this == &copy)
                  return *this;

            if(data != NULL)
            {
                  delete []data;
                  data = NULL;
            }

            size = copy.size;
            if(size > 0)
            {
                  data = new T[size];
                  for(int i = 0; i < size; ++ i)
                        setValue(i, copy.getValue(i));
            }
      }

為了防止有多個指標指向的資料被多次刪除，我們還可以儲存究竟有多少個指標指向該資料。只有當沒有任何指標指向該資料的時候才可以被刪除。這種思路通常被稱之為引用計數技術。在建構函式中，引用計數初始化為1；每當把這個執行個體賦值給其他執行個體或者以參數傳給其他執行個體的構造拷貝函數的時候，引用計數加1，因為這意味著又多了一個執行個體指向它的data；每次需要調用解構函式或者需要把data賦值為其他資料的時候，引用計數要減1，因為這意味著指向它的data的指標少了一個。當引用計數減少到0的時候，data已經沒有任何執行個體指向它了，這個時候就可以安全地刪除。實現的代碼如下：

public:
      Array(unsigned arraySize)
            :data(0), size(arraySize), count(new unsigned int)
      {
            *count = 1;
            if(size > 0)
                  data = new T[size];
      }

      Array(const Array& copy)
            : size(copy.size), data(copy.data), count(copy.count)
      {
            ++ (*count);
      }

      ~Array()
      {
            Release();
      }

      const Array& operator = (const Array& copy)
      {
            if(data == copy.data)
                  return *this;

            Release();

            data = copy.data;
            size = copy.size;
            count = copy.count;
            ++(*count);
      }

 private:
      void Release()
      {
            --(*count);
            if(*count == 0)
            {
                  if(data)
                  {
                        delete []data;
                        data = NULL;
                  }

                  delete count;
                  count = 0;
            }
      }

      unsigned int *count;