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赋值和移动构造,即使复制/移动构造函数和析构函数拥有可观察副效应。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,即使在概念上:

  • 在变量的初始化中,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(T())); // 仅调用一次 T 的默认构造函数以初始化 x
T f() {
    return T();
}
 
f(); // 仅调用一次 T 的默认构造函数

注意:上述规则不指定优化:纯右值临时量的 C++17 核心语言规定在基础上异于之前的 C++ 版本:不再有用以复制/移动的临时量。另一种描述 C++17 的方式是“不实质化的值传递”:返回并使用纯右值而不实质化临时量。

(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效应。直接将对象构造到它们本来要复制/移动到的存储中。这是优化:即使发生优化而不调用复制/移动 (C++11 起)构造函数,它仍然要存在且可访问(如同完全未发生优化),否则程序为病式:

  • return 语句中,运算数是拥有自动存储期的非 volatile 、非函数参数或 catch 子句参数的对象之名,并拥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,源对象是拥有与目标对象相同类型(忽略 cv 限定)的无名临时量时。当无名临时量为 return 语句的运算数时,称这种复制消除的变体为 RVO ,“返回值优化 (return value optimization) ”。
(C++17 前)

此优化是强制的;见上述。

(C++17 起)
  • throw 表达式中,运算数是拥有自动存储期的非 volatile 、非函数参数或 catch 子句参数的对象之名,而其作用域不延伸超过最内层的 try 块(若有 try 块)时。
  • catch 子句中,参数拥有与抛出的异常对象相同类型(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,如同以引用捕获它(不可能有来自异常对象的移动,因为它始终是左值)。若这种复制消除会因跳过该 catch 子句参数的复制构造函数和析构函数以外的原因更改可观察行为,则禁用它(例如,若修改了 catch 子句的参数,并以 throw 重抛异常)。
(C++11 起)

复制消除出现时,实现将被省略的复制/移动 (C++11 起)操作的目标单纯地当做指代同一对象的二种不同方式,而该对象的析构,出现于假如无该优化则二个对象本应被析构的时机的较迟者(除了若被选择的构造函数的参数是到对象类型的右值引用,则析构出现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,保证所有复制消除(注意:这由 C++14 后缺陷报告 CWG 2022 所指定,可能会被 CWG 2278 上的待决决定推翻):
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 b (保证 NRVO )
 
void g() {
    A c = g();       // c.p 可以指向 c 或指向稍纵即逝的临时量
}
(C++14 起)

[编辑] 注意

复制消除是能更改可观察副效应的唯一得到允许的优化形式 (C++14 前)二种允许的优化形式之一,另一种是分配消除与扩展 (C++14 起)。因为编译器不在每个允许的场合进行复制消除(例如 debug 模式下),依赖复制/移动构造函数和析构函数的副效应的程序是不可移植的。

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,则除非源是函数参数,否则即使对象由左值代表,编译器也将试图使用移动构造函数;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 时的复制消除
    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(); // v 的初始化中的复制消除
                                // 从 f() 返回的临时量 (C++17 前)
                                // 从纯右值 f() (C++17 起)
    g(f());                     // g() 的参数初始化中的复制消除
                                // 从 f() 返回的临时量 (C++17 前)
                                // 从纯右值 f() (C++17 起)
}

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

[编辑] 参阅