复制消除

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省略复制及移动 (C++11 起)构造函数,导致零复制的按值传递语义。

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[编辑] 解释

下列环境下,要求编译器省略类对象的复制和移动构造,即使复制/移动构造函数和析构函数拥有可观察副作用。直接将对象构造到它们本来要复制/移动到的存储中。只要语言确保不发生复制/移动操作,复制/移动构造函数就不必存在或可访问,即使在概念上:

T f() {
    return T();
}
 
f(); // 仅调用一次 T 的默认构造函数
  • 在变量的初始化中,当初始化器表达式为与变量类型为同一类类型的纯右值(忽略 cv 限定)时:
T x = T(T(f())); // 仅调用一次 T 的默认构造函数以初始化 x

注意:上述规则并不指定优化:针对纯右值临时量的 C++17 核心语言规定本质上不同于之前的 C++ 版本:不再有用以复制/移动的临时量。描述 C++17 语义的另一种方式是“传递未实质化的值”:返回并使用纯右值时不实质化临时量。

(C++17 起)

下列环境下,容许但不要求编译器省略类对象的复制和移动 (C++11 起)构造,即使复制/移动 (C++11 起)构造函数和析构函数拥有可观察副作用。直接将对象构造到它们本来要复制/移动到的存储中。这是一项优化:即使进行了优化而不调用复制/移动 (C++11 起)构造函数,它仍然必须存在且可访问(如同完全未发生优化),否则程序非良构:

  • return 语句中,当操作数是拥有自动存储期的非 volatile 对象的名字,其并非函数形参或 catch 子句形参,且其具有与函数返回类型相同的类类型(忽略 cv 限定)时。这种复制消除的变体被称为 NRVO,“具名返回值优化 (named return value optimization)”。
  • 在对象的初始化中,当源对象是无名临时量且与目标对象具有相同类型(忽略 cv 限定)时。当无名临时量为 return 语句的操作数时,称这种复制消除的变体为 RVO,“返回值优化 (return value optimization)”。
(C++17 前)

返回值优化是强制要求的,而不再被当做复制消除;见上文。

(C++17 起)
  • throw 表达式中,当操作数是具有自动存储期的非 volatile 对象的名字,其并非函数形参或 catch 子句形参,且其作用域不延伸超过最内层的 try 块(若有 try 块)时。
  • catch 子句中,当实参与抛出的异常对象具有相同类型(忽略 cv 限定)时,省略异常对象的复制,而该 catch 子句体直接访问该异常对象,如同按引用捕获它一样(不可能从异常对象移动,因为它始终是左值)。如果这种复制消除会因为除了跳过该 catch 子句形参的复制构造函数和析构函数之外的任何原因,导致程序的可观察行为发生改变,则它被禁止(例如,当修改了 catch 子句的实参,并以 throw 重新抛出异常对象时)。
(C++11 起)
  • 协程中,可以消除将形参向协程状态内的复制/移动,只要除了对形参的构造函数与析构函数的调用被忽略以外,不改变程序的行为即可。若在暂停点后始终不使用形参,或者整个协程状态本就始终不在堆上分配,则可出现此情形。
(C++20 起)

进行复制消除时,实现将被省略的复制/移动 (C++11 起)操作的源和目标,单纯地当做指代同一对象的两种不同方式,而该对象的销毁,发生于假如不进行优化时两个对象本应被析构的时机的较迟者(但若被选择的构造函数的形参是对象类型的右值引用,则其销毁发生于目标对象本应被销毁时) (C++17 起)

可以连锁多次复制消除,以消除多次复制。

  • 常量表达式常量初始化中,保证进行返回值优化(RVO),但禁止具名返回值优化(NRVO)(注意:NRVO 曾在 C++14 后的缺陷报告 CWG 2022 中指定,但被缺陷报告 CWG 2278 撤销):
struct A {
    void *p;
    constexpr A(): p(this) {}
};
 
constexpr A g() {
    A a;
    return a;
}
 
constexpr A a;       // a.p 指向 a
constexpr A b = g(); // b.p 指向临时量从而为悬垂
// ( N4810 中的用词有矛盾)
 
void g() {
    A c = g();       // c.p 可能指向 c 或转瞬即逝的临时量
}
 
extern const A d; 
constexpr A f() {
  A e;
  if (&e == &d)
    return A();
  else
    return e;
  // 在常量求值中强制 NRVO 会导致矛盾,即当且仅当不执行 NRVO 时执行 NRVO
} 
constexpr A d = f(); // d.p 悬垂
(C++14 起)

[编辑] 注意

复制消除是允许改变可观察副作用的唯一得到允许的优化形式 (C++14 前)两种允许的优化形式之一,另一种是分配消除与扩展 (C++14 起)。因为一些编译器并不在所有允许的场合中进行复制消除(例如 debug 模式下),依赖于复制/移动构造函数和析构函数的副作用的程序是不可移植的。

在 return 语句或 throw 表达式中,若编译器不能进行复制消除,但满足或本应满足复制消除的条件(排除源是函数形参的情况),即使对象由左值代表,编译器也将尝试使用移动构造函数;细节见 return 语句

(C++11 起)

[编辑] 示例

#include <iostream>
#include <vector>
 
struct Noisy {
    Noisy() { std::cout << "constructed\n"; }
    Noisy(const Noisy&) { std::cout << "copy-constructed\n"; }
    Noisy(Noisy&&) { std::cout << "move-constructed\n"; }
    ~Noisy() { std::cout << "destructed\n"; }
};
 
std::vector<Noisy> f() {
    std::vector<Noisy> v = std::vector<Noisy>(3); // 从临时量 (C++17 前)
                                                  // 从纯右值 (C++17 起)
                                                  // 初始化 v 中的复制消除
    return v; // 从 v 到结果对象的 NRVO(C++17 中仍不保证)
}             // 若禁用优化,则调用移动构造函数
 
void g(std::vector<Noisy> arg) {
    std::cout << "arg.size() = " << arg.size() << '\n';
}
 
int main() {
    std::vector<Noisy> v = f(); // 从 f() 返回的临时量 (C++17 前)
                                // 从纯右值 f() (C++17 起)
                                // 初始化 v 中的复制消除
    g(f());                     // 从 f() 返回的临时量 (C++17 前)
                                // 从纯右值 f() (C++17 起)
                                // 初始化 g() 的形参中的复制消除
}

可能的输出:

constructed
constructed
constructed
constructed
constructed
constructed
arg.size() = 3
destructed
destructed
destructed
destructed
destructed
destructed

[编辑] 缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

DR 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 2022 C++14 常量表达式中复制消除曾为可选 强制复制消除
CWG 2278 C++14 曾在常量表达式中强制 NRVO 在常量表达式中禁止 NRVO

[编辑] 参阅