复制消除
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。
解释
强制的复制/移动操作消除以下情况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的副作用。这些对象将直接构造到它们本来要复制/移动到的存储中。复制/移动构造函数不必存在或可访问: T f() { return T(); } f(); // 仅调用一次 T 的默认构造函数
T x = T(T(f())); // 仅调用一次 T 的默认构造函数以初始化 x
struct C { /* ... */ }; C f(); struct D; D g(); struct D : C { D() : C(f()) { } // 初始化基类子对象时无消除 D(int) : D(g()) { } // 无消除,因为正在初始化的 D 对象可能是某个其他类的基类子对象 }; 注意:上述规则指定的不是优化:针对纯右值和临时量的 C++17 核心语言规定在本质上不同于之前的 C++ 版本:不再有临时量用于复制/移动。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) |
非强制的复制/移动 (C++11 起)操作消除
下列环境下,允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的副作用。这些对象将直接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,该名字不是函数形参或 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)”。
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(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) |
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(C++11 起) |
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(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,而该对象将在假如不进行优化时两个对象中后被销毁的对象销毁时销毁(但如果被选择的构造函数的形参是对象类型的右值引用,那么该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。
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(); // 错误: b.p 会悬垂,并会指向有自动存储期的临时量 void h() { 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(); // 错误: d.p 悬垂 |
(C++11 起) |
注解
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,如果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(不含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) |
示例
#include <iostream> #include <vector> struct Noisy { Noisy() { std::cout << "在 " << this << " 构造" << '\n'; } Noisy(const Noisy&) { std::cout << "复制构造\n"; } Noisy(Noisy&&) { std::cout << "移动构造\n"; } ~Noisy() { std::cout << "在 " << this << " 析构" << '\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) } // 如果禁用优化,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:
在 0x2145c20 构造 在 0x2145c21 构造 在 0x2145c22 构造 在 0x2146c50 构造 在 0x2146c51 构造 在 0x2146c52 构造 arg.size() = 3 在 0x2146c50 析构 在 0x2146c51 析构 在 0x2146c52 析构 在 0x2145c20 析构 在 0x2145c21 析构 在 0x2145c22 析构
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 |
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CWG 2022 | C++11 | 常量表达式中曾允许不进行复制消除 | 强制复制消除 |
CWG 2278 | C++11 | 常量表达式中曾强制 NRVO | 在常量表达式中禁止 NRVO |
CWG 2426 | C++17 | 返回纯右值时不要求析构函数 | 潜在调用析构函数 |