模板中的错误 std::bad_array_new_length

Question

我试图定义自己的类模板Array<T> 来练习模板的使用。
我生成的代码可以正确构建，但是执行时会出现以下错误

terminate called after throwing an instance of 'std::bad_array_new_length'
  what():  std::bad_array_new_length

我想我已经找到了解决问题的方法，但我很想看看之前的代码中是否存在潜在错误，如果有，是哪一个。

这是我之前写的代码：

#include <iostream>

class Empty{
private:
    char error;
public:
    Empty(char e) : error(e) { std::cout << "Azione non disponibile, lista vuota" << std::endl;}
};

template <class T>
class Array;

template <class T>
std::ostream& operator<<(std::ostream&,const Array<T>&);

template <class T>
class Array{
    friend std::ostream& operator<< <T> (std::ostream&,const Array<T>&);
private:
    T* arr;
    unsigned int size;
    unsigned int capacity;

    static T* copia(T* a, unsigned int s, unsigned int c){
        if(c > 0) {
            T* app = new T[c];
            for (int i = 0; i<s; ++i) {
                app[i] = a[i];
            }
            return app;
        }else return nullptr;
    }

public:
    Array(int k = 0, const T& t = T()) : size(k > 0 ? k : 0), capacity(size), arr(k > 0 ? new T[size] : nullptr){
        for (int i = 0; i < k ; ++i) arr[i] = t;
    }

    Array(const Array& a) : size(a.size), capacity(a.capacity), arr(copia(a.arr,a.size,a.capacity)){}

    Array& operator=(const Array& a){
        if(this != &a){
            delete[] arr;
            capacity = size = a.size;
            arr = copia(a.arr,a.size,a.capacity);
        }
        return *this;
    }

    ~Array(){delete[] arr;}

    void pushBack(const T& t) {
        if(size == capacity){
            capacity > 0 ? capacity *= 2 : capacity = 1;
            T* app = copia(arr,size, capacity);
            delete[] arr;
            arr = app;
        }
        ++size;
        arr[size-1] = t;
    }

    T popBack() {
        if (size != 0) {
            T temp = arr[size - 1];
            --size;
            return temp;
        } else throw Empty('e');
    }

};

template <class T>
std::ostream& operator<<(std::ostream& os ,const Array<T>& a){
    for (int i = 0; i < a.size; ++i) {
        os << a.arr[i] << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;
    return os;
}

int main(){

    Array<int> a(5,5),e;
    std::cout << a << std::endl;

    a.pushBack(16);
    a.pushBack(17);
    a.pushBack(18);

    std::cout << a << std::endl;

    return 0;
}

如果我在没有 a.pushBack(x) 函数调用的情况下运行此代码，它可以工作。
只要我插入一个函数调用，我就会在输出中得到那个错误。

在调试时，我意识到我写T* arr 的那行不是正确的。
知道构造函数按照自己子对象的初始化顺序，第一个要构造的元素就是指针。 由于我正在尝试创建维度为size 的T 元素向量，因此正确地给了我错误，因为我尚未初始化整数大小。
所以我通过换行来解决它。

template <class T>
class Array{
    friend std::ostream& operator<< <T> (std::ostream&,const Array<T>&);
private:
    unsigned int size;
    unsigned int capacity;
    T* arr;
    ...
};

但此时我想知道：为什么，如果我不进行函数调用，知道构造时的大小是未定义的，我不会得到同样的错误？

从逻辑上讲，在这种情况下也应该出现问题，但是似乎一切正常：

PS：不要指望我没有处理抛出的异常，代码还没有完全完成，但目前我渴望至少实现三法则。

Answer 1

在 jdoodle.com 中使用 GCC 9.1.0 进行编译时，我的原始代码始终出现 bad_alloc 运行时异常。

我添加了一个具有不同签名的新构造函数，因此我可以看到它用于分配数组的 size 的值 注意：即使这个新 ctor 的存在也阻止了 bad_alloc 错误，无论它是否被调用。

Array(char c, int k = 0, const T& t = T()) : 
    size(k > 0 ? k : 0), 
    capacity(size), 
    arr(DebugInit(size)){
    for (int i = 0; i < k ; ++i) arr[i] = t;
}

T* DebugInit( unsigned long size_init )
{
    std::cout << "DebugInit size_init=" << size_init << " cap=" << capacity << std::endl;
    return size_init > 0 ? new T[size_init] : nullptr;
}

使用这个新 ctor 时，结果似乎是随机的。 size_init每次都不一样，这与使用尚未初始化的成员字段一致。

在原始代码中，size 可能恰好始终包含 0。 通过添加更多代码，即使它从未被调用，编译后的版本也会访问一个随机但现在非零的 size 值。

这似乎是经典的“未定义行为”。如果您在初始化之前使用size，则无法保证其中的内容。 如果你幸运的话，size 在初始化之前会一直返回 0，你会得到一个分配错误。 但是对代码的一个小改动可能会开始返回size 的随机值。 如果未初始化的 size 的值比您预期的值大得多，那么您直到以后才会看到问题，或者可能永远不会。

在对代码进行了更多操作之后，std::bad_alloc 异常又回来了！所以，绝对不能保证！