每周技巧 #166：当拷贝不是拷贝

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本文翻译自 Abseil 官网的 Tip of the Week #166: When a Copy is not a Copy。

原文最初作为 TotW #166 发布于 2019 年 8 月 28 日。

作者：Richard Smith

更新于 2020 年 4 月 6 日。

快捷链接：abseil.io/tips/166

“如无必要，勿增实体。” —— William of Ockham

“如果你不知道自己要去哪里，很可能正在走错路。” —— Terry Pratchett

概览

从 C++17 开始，只要可能，对象都会“就地”创建。

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class BigExpensiveThing {
 public:
  static BigExpensiveThing Make() {
    // ...
    return BigExpensiveThing();
  }
  // ...
 private:
  BigExpensiveThing();
  std::array<OtherThing, 12345> data_;
};

BigExpensiveThing MakeAThing() {
  return BigExpensiveThing::Make();
}

void UseTheThing() {
  BigExpensiveThing thing = MakeAThing();
  // ...
}

这会拷贝或移动 BigExpensiveThing 多少次？

C++17 之前，答案是最多三次：每个 return 语句一次，初始化 thing 时再一次。这有一定道理：每个函数都可能把 BigExpensiveThing 放在不同位置，因此可能需要一次移动，才能把值放到最终调用方想要的位置。不过实践中，对象总是直接在变量 thing 中“就地”构造，不执行移动；C++ 语言规则允许“省略”这些移动操作，以促成这种优化。

从 C++17 开始，这段代码保证执行零次拷贝或移动。事实上，即使 BigExpensiveThing 不可移动，上面的代码也是有效的。BigExpensiveThing::Make 中的构造函数调用会直接构造 UseTheThing 中的局部变量 thing。

那么发生了什么？

当编译器看到像 BigExpensiveThing() 这样的表达式时，它不会立即创建临时对象。相反，它把该表达式视为如何初始化某个最终对象的指令，并尽可能推迟创建（正式地说，“物化”）临时对象。

一般来说，对象创建会被推迟到该对象获得名称时。具名对象（上例中的 thing）会使用求值初始化器得到的指令直接初始化。如果这个名称是引用，则会物化一个临时对象来保存该值。

因此，对象会直接在正确位置构造，而不是在别处构造后再复制。这种行为有时称为“保证拷贝消除”，但这并不准确：一开始就没有拷贝。

你只需要知道：对象在第一次获得名称之前不会被拷贝。按值返回没有额外成本。

（即使获得名称之后，局部变量从函数返回时也可能因为具名返回值优化而仍然不被拷贝。详情见技巧 11。）

细节：未命名对象何时会被拷贝

有两个角落情况中，使用没有名称的对象仍会导致拷贝：

构造基类：在构造函数的基类初始化列表中，即使从基类类型的未命名表达式构造，也会发生拷贝。这是因为类作为基类使用时，可能具有略微不同的布局和表示（由于虚基类和 vpointer 值），所以直接初始化基类可能无法得到正确表示。

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class DerivedThing : public BigExpensiveThing {
 public:
  DerivedThing() : BigExpensiveThing(MakeAThing()) {}  // might copy data_
};

传递或返回小型平凡对象：当足够小且可平凡复制的对象传给函数或从函数返回时，它可能通过寄存器传递，因此传递前后的地址可能不同。

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struct Strange {
  int n;
  int *p = &n;
};
void f(Strange s) {
  CHECK(s.p == &s.n);  // might fail
}
void g() { f(Strange{0}); }

细节：值类别

C++ 中有两类表达式：

产生值的表达式，例如 1 或 MakeAThing()，你可能认为它们具有非引用类型。
产生某个已有对象位置的表达式，例如 s 或 thing.data_[5]，你可能认为它们具有引用类型。

这种划分称为“值类别”；前者是 prvalue，后者是 glvalue。前面谈到没有名称的对象时，我们真正指的是 prvalue 表达式。

所有 prvalue 表达式都会在某个上下文中求值，该上下文决定它们把值放在哪里；prvalue 表达式的执行会用其值初始化那个位置。

例如，在：

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  BigExpensiveThing thing = MakeAThing();

中，prvalue 表达式 MakeAThing() 作为变量 thing 的初始化器求值，因此 MakeAThing() 会直接初始化 thing。构造函数把指向 thing 的指针传入 MakeAThing()，而 MakeAThing() 中的 return 语句会初始化该指针指向的对象。类似地，在：

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  return BigExpensiveThing();

中，编译器有一个指向待初始化对象的指针，并通过调用 BigExpensiveThing 构造函数直接初始化该对象。

每周技巧 #166：当拷贝不是拷贝

概览

细节：未命名对象何时会被拷贝

细节：值类别

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