C++17中含多态对象向量的树形结构深拷贝实现问题

我受限于使用C++17，需要实现一种可深拷贝为两个独立副本的树形结构（不一定是二叉树）。目前定义了抽象基类Node，它有两个派生类：

• Operation类：持有布尔操作枚举，以及存储子节点的std::vector<std::unique_ptr<Node>>，作为树的分支节点。
• Condition类：持有求值用的比较数据，作为树的叶子节点。

另外还有Event类，用std::unique_ptr<Node>指向树的根节点，根节点可以是Operation或Condition类型。

我尝试通过多态clone()方法实现std::unique_ptr的深拷贝，但在Event和Operation的拷贝构造函数里遇到了编译错误，不清楚怎么维持多态性，也不确定这些拷贝构造函数是不是必须写的。

原代码（含编译错误） #

#include <algorithm>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>

namespace tree
{
struct Node
{
    // 虚clone函数，返回指向当前对象拷贝的unique_ptr
    virtual std::unique_ptr<Node> clone() const = 0;

    std::string name;
};

enum class Boolean
{
    And,
    Or,
    Xor
};

struct Operation : public Node
{
    // 拷贝构造函数：尝试拷贝vector并克隆每个子节点
    Operation(const Operation &other) : op(other.op), nodes(other.nodes.size())
    {
        std::transform(other.nodes.cbegin(), other.nodes.cend(), nodes.begin(),
            [](const auto &old) {
                // 编译错误：Node是抽象类，无法实例化
                return op ? std::make_unique<Node>(old->clone()) : nullptr;
            });
    }
    
    virtual std::unique_ptr<Node> clone() const override
    {
        return std::make_unique<Operation>(*this);
    }
    
    Boolean op;
    std::vector<std::unique_ptr<Node>> nodes;
};

struct Condition : public Node
{
    virtual std::unique_ptr<Node> clone() const override
    {
        return std::make_unique<Condition>(*this);
    }
    
    int datum;
};

struct Event
{
    Event(std::string name) : name(name) {}
    // 编译错误：同样试图实例化抽象类Node
    Event(const Event &other) : name(other.name), root(std::make_unique<Node>(other.root->clone())) {}
    std::string name;
    std::unique_ptr<Node> root;
};
} // tree

问题分析与解决方案 #

错误根源

代码里的编译错误都是因为试图直接实例化抽象基类Node：

• std::make_unique<Node>(...)是非法的，因为Node包含纯虚函数，属于抽象类，不能直接创建对象。
• 而clone()方法本身已经返回了一个指向派生类对象的std::unique_ptr<Node>，完全不需要再用make_unique包装。

另外Operation拷贝构造函数里的lambda还存在逻辑错误：用op（布尔操作枚举）作为指针非空的判断条件，这完全是误用，应该判断的是old这个unique_ptr是否为空。

修正后的关键代码

1. Operation拷贝构造函数修正
   要调用基类拷贝构造函数拷贝name成员，同时正确克隆每个子节点：

Operation(const Operation &other) : Node(other), op(other.op)
{
    std::transform(other.nodes.cbegin(), other.nodes.cend(), std::back_inserter(nodes),
        [](const auto &old) {
            return old ? old->clone() : nullptr;
        });
}

这里用std::back_inserter代替预先分配vector大小，更简洁安全。

2. Event拷贝构造函数修正
   直接用clone()的返回值初始化root，同时增加空指针判断：

Event(const Event &other) : name(other.name), root(other.root ? other.root->clone() : nullptr) {}

3. 补充基类虚析构函数
   为了避免多态场景下的内存泄漏，必须给Node添加虚析构函数：

virtual ~Node() = default;

4. Condition拷贝构造函数补充
   虽然Condition没有复杂成员，但显式调用基类拷贝构造函数是良好的编码习惯：

Condition(const Condition &other) : Node(other), datum(other.datum) {}

拷贝构造函数的必要性

这些拷贝构造函数是必须实现的：

• Operation和Event都包含std::unique_ptr，而unique_ptr是不可拷贝的，默认拷贝构造函数会被禁用。
• 要实现深拷贝，必须手动调用每个子节点的clone()方法，确保树形结构的所有节点都被复制为独立对象。

完整修正代码 #

#include <algorithm>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>

namespace tree
{
struct Node
{
    virtual std::unique_ptr<Node> clone() const = 0;

    std::string name;
    
    // 虚析构函数，确保派生类对象能正确销毁
    virtual ~Node() = default;
};

enum class Boolean
{
    And,
    Or,
    Xor
};

struct Operation : public Node
{
    Operation(const Operation &other) : Node(other), op(other.op)
    {
        std::transform(other.nodes.cbegin(), other.nodes.cend(), std::back_inserter(nodes),
            [](const auto &old) {
                return old ? old->clone() : nullptr;
            });
    }
    
    virtual std::unique_ptr<Node> clone() const override
    {
        return std::make_unique<Operation>(*this);
    }
    
    Boolean op;
    std::vector<std::unique_ptr<Node>> nodes;
};

struct Condition : public Node
{
    Condition(const Condition &other) : Node(other), datum(other.datum) {}
    
    virtual std::unique_ptr<Node> clone() const override
    {
        return std::make_unique<Condition>(*this);
    }
    
    int datum;
};

struct Event
{
    Event(std::string name) : name(std::move(name)) {}
    Event(const Event &other) : name(other.name), root(other.root ? other.root->clone() : nullptr) {}
    
    std::string name;
    std::unique_ptr<Node> root;
};
} // tree

内容的提问来源于stack exchange，提问作者zecuse